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Studies of cold chromium atoms in magnetic and optical traps: steps towards Bose-Einstein condensation

Radu Chicireanu, O. Gorceix

Published Jan 1, 2007• 1 citation
OpenAlex

Abstract

[Résumé français] Le travail de cette thèse s inscrit dans la perspective d étudier les interactions dipo-laires dans des gaz de bosons et de fermions quantiquement dégénérés. Dans ce manuscrit on présente la réalisation d une experience pour refroidir et piéger des atomes de Cr, ayant un fort moment magnétique de 6 B.Nos experiences ont permis d obtenir et d étudier des pièges agneto-optiques pour les deux isotopes majoritaires du Cr. Des experiences de chargement en continu des atomes métastables de Cr, dans des pièges agnétiques de profondeur finie (tronquespar des champs RF) ont permis d obtenir des densités dans l espace des phases de 6 . 10 , dans des temps inférieurs à la seconde. Les propriétés collisionnelles des atomes métastables de Cr ont été étudiés en detail. Finalement, une nouvelle méthode de chargement d un piège optique avec plus d un 52 million d atomes méta stables de Cr, à100 K, été mis en evidence. La polarization de ces atomes dans l état minimal en énergie ouvre des perspectives pour commencer le 52 oidissement évaporatif, afin d atteindre la condensation de Bose-Einstein du Cr.

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Cooling and trapping Chromium Atoms

A. Pouderous, O. Gorceix

[Résumé en français]. Ce travail s inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques d'atomes dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le dispositif expérimental est décrit. Les solutions adoptées pour réaliser un four à haute température et un faisceau laser à 425,5 nm non modulé sont détaillées. Les pièges magnéto-optiques des deux isotopes sont caractérisés par un fort taux de collisions à deux corps et un taux de pertes à un corps dominé par une désexcitation vers des états métastables. Cette propriété permet d'accumuler en continu de l'ordre de dix millions d'atomes dans un piège magnétique. Un piège magnéto-optique du mélange 52Cr-53Cr est aussi étudié. La réalisation du premier piège optique d'atomes dans des états métastables est montrée pour le 52Cr. Ce résultat est une étape vers l'obtention d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.

•Jan 1, 2007•0 citations

Refroidissement et piégeage d'atomes de chrome

A. Pouderous

Ce travail s'inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le fort moment magnétique de 6 µB dans l'état fondamental, la structure électronique en lambda et la présence d'un isotope fermionique rendent en effet l'atome de chrome attractif pour des expériences d'atomes froids. Le dispositif expérimental mis en place ressemble à une expérience de piégeage sur un atome usuel. Néanmoins, des solutions technologiques spécifiques pour réaliser un four à haute température ou générer un faisceau laser à 425,5 nm non modulé ont été adoptées. De plus, deux projets que j'ai menés à bien sont détaillés : l'asservissement en température d'une cavité Fabry Perot et le système d'imagerie par absorption. Les pièges magnéto-optiques de 52Cr et de 53Cr obtenus contiennent respectivement 4.10^6 et 5.10^5 atomes pour des densités de 8.10^10 et 2,5.10^10 cm^−3. Ces deux pièges présentent des caractéristiques similaires : un fort taux de collisions à deux corps de l'ordre de 5.10^−9 cm^−3.s^−1 et un taux de pertes à un corps de 169 s^−1 pour le 52Cr et de 280 s^−1 pour le 53Cr dû à une desexcitation vers des états métastables. Cette dernière propriété permet d'accumuler en continu 2.10^7 atomes de 52Cr et 8.10^5 atomes de 53Cr dans un piège quadripolaire formé par les bobines du piège magnéto-optique. La première obtention et caractérisation d'un piège magnéto-optique mixte d'un mélange 52Cr-53Cr est aussi exposée. L'accumulation d'atomes bosoniques métastables dans un piège optique superposé à un piège magnétique linéaire est étudiée. Ce piège original permet de réaliser le premier piège optique d'atomes dans des états métastables. En un temps très rapide de 100 ms, le piège optique contient 2.10^6 atomes métastables avec une densité de 10^11 cm^−3. Ce résultat constitue une première étape vers l'obtention d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.

•Jun 25, 2007•0 citations

Condensation de Bose-Eisntein du chrome et étude de collisions inélastiques dues aux insteractions dipolaires

Quentin Beaufils

A cause de son fort moment magnetique dans l'etat fondamental, le chrome est un bon candidat pour l'etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52 Cr jusqu’a la condensation de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15000 atomes en 15s au total. Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence (rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la rf. Nous avons egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective d’etudier l'effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.

•Jan 1, 2009•0 citations

Bose-Einstein condensation of chromium and study of inelastic collisions due to dipolar interactions

Quentin Beaufils, O. Gorceix

A cause de son fort moment magnétique dans l’état fondamental, le chrome est unbon candidat pour l’étude des interactions dipolaires dans un gaz dégénéré. Nous avons mis en placeun dispositif expérimental afin de piéger et de refroidir des atomes de 52Cr jusqu’à la condensationde Bose-Einstein. Le refroidissement évaporatif a lieu dans un piège optique, dont le chargement àpartir du piège magnéto-optique est réalisé grâce à une méthode originale d’accumulation en continud’atomes dans des états métastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15 000atomes en 15 s au total.Nous avons étudié la possibilité d’amener les sous-états Zeeman du chrome condensé à dégénérescencedans un champ magnétique statique non nul, en utilisant un champ magnétique radiofréquence(rf). Cela nous a conduit à mettre en évidence un processus de relaxation dipolaire assistée par larf. Nous avons ´egalement étudié une résonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui ala particularité d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analysé cette résonance enprésence de champs rf, et réinterprété l’association rf de molécules comme une simple résonance deFeshbach entre états habillés. Enfin, nous avons mis en place un réseau optique dans la perspectived’étudier l’effet des interactions dipôle-dipôle en dimension réduite.

•Jan 1, 2009•0 citations

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A cause de son fort moment magnetique dans l’etat fondamental, le chrome est un bon candidat pour l’etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52Cr jusqu’a la condensation de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15 000 atomes en 15 s au total. Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence (rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la rf. Nous avons ´egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective d’etudier l’effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.

•Oct 29, 2009•0 citations

Développement d'un piège atomique lumineux et magnétique : Etude du régime de collisions ; Perspectives pour la condensation de Bose-Einstein du césium

Nathalie Hoang

Ce travail de thèse s'inscrit dans un effort de recherche entrepris depuis 1996 pour atteindre la condensation de Bose-Einstein (CBE) de l'atome de césium. Les expériences réalisées en 1996 en piège magnétique échouèrent à cause du taux de collisions inélastiques anormalement élevé pour cet atome. La solution consiste à piéger les atomes dans leur état fondamental. Ceci peut être réalisé dans un piège optique ou un piège mixte, magnétique et optique. En octobre 2002, l'équipe de R. Grimm est parvenue à la CBE du césium grâce au piégeage optique. La solution proposée dans ce manuscrit combine un piégeage magnétique vertical, et un piégeage optique transverse réalisé par un faisceau Nd :YAG. La mise en place du piège mixte a été achevée, et certaines de ses caractéristiques ont été dégagées. Ainsi la durée de vie de 4 s représente la limitation actuelle du piège et est discutée à partir de diverses hypothèses. Le régime collisionnel est aussi analysé à partir d'une étude des oscillations de la taille du nuage en fonction du champ magnétique. Le taux de collisions élastiques des atomes au sein du piège apparaît faible, du fait d'une densité insuffisante. Parallèlement, des calculs numériques en lien avec la compréhension de l'expérience ont été menés. Ce travail théorique comporte deux volets. Le premier concerne la modélisation du refroidissement évaporatif unidimensionnel dans notre dispositif, par une simulation Monte-Carlo. Les résultats de cette simulation permettent d'envisager une stratégie vers la condensation. Le second volet repose sur l'application d'une méthode asymptotique pour traiter les collisions entre atomes dans l'état fondamental f=3, mf=3, en présence d'un champ magnétique. Cette étude motivée par l'existence d'une résonance de Feshbach pour cet état a permis l'interprétation d'une expérience de photoassociation dans laquelle le contrôle de la longueur de diffusion par modification du champ magnétique a été mis en évidence.

•Jan 1, 2003•0 citations
[Résumé français] Le travail de cette thèse s inscrit dans la perspective d étudier les interactions dipo-laires dans des gaz de bosons et de fermions quantiquement dégénérés. Dans ce manuscrit on présente la réalisation d une experience pour refroidir et piéger des atomes de Cr, ayant un fort moment magnétique de 6 B.Nos experiences ont permis d obtenir et d étudier des pièges agneto-optiques pour les deux isotopes majoritaires du Cr. Des experiences de chargement en continu des atomes métastables de Cr, dans des pièges agnétiques de profondeur finie (tronquespar des champs RF) ont permis d obtenir des densités dans l espace des phases de 6 . 10 , dans des temps inférieurs à la seconde. Les propriétés collisionnelles des atomes métastables de Cr ont été étudiés en detail. Finalement, une nouvelle méthode de chargement d un piège optique avec plus d un 52 million d atomes méta stables de Cr, à100 K, été mis en evidence. La polarization de ces atomes dans l état minimal en énergie ouvre des perspectives pour commencer le 52 oidissement évaporatif, afin d atteindre la condensation de Bose-Einstein du Cr.
[Résumé en français]. Ce travail s inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques d'atomes dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le dispositif expérimental est décrit. Les solutions adoptées pour réaliser un four à haute température et un faisceau laser à 425,5 nm non modulé sont détaillées. Les pièges magnéto-optiques des deux isotopes sont caractérisés par un fort taux de collisions à deux corps et un taux de pertes à un corps dominé par une désexcitation vers des états métastables. Cette propriété permet d'accumuler en continu de l'ordre de dix millions d'atomes dans un piège magnétique. Un piège magnéto-optique du mélange 52Cr-53Cr est aussi étudié. La réalisation du premier piège optique d'atomes dans des états métastables est montrée pour le 52Cr. Ce résultat est une étape vers l'obtention d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.
Ce travail s'inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le fort moment magnétique de 6 µB dans l'état fondamental, la structure électronique en lambda et la présence d'un isotope fermionique rendent en effet l'atome de chrome attractif pour des expériences d'atomes froids. Le dispositif expérimental mis en place ressemble à une expérience de piégeage sur un atome usuel. Néanmoins, des solutions technologiques spécifiques pour réaliser un four à haute température ou générer un faisceau laser à 425,5 nm non modulé ont été adoptées. De plus, deux projets que j'ai menés à bien sont détaillés : l'asservissement en température d'une cavité Fabry Perot et le système d'imagerie par absorption. Les pièges magnéto-optiques de 52Cr et de 53Cr obtenus contiennent respectivement 4.10^6 et 5.10^5 atomes pour des densités de 8.10^10 et 2,5.10^10 cm^−3. Ces deux pièges présentent des caractéristiques similaires : un fort taux de collisions à deux corps de l'ordre de 5.10^−9 cm^−3.s^−1 et un taux de pertes à un corps de 169 s^−1 pour le 52Cr et de 280 s^−1 pour le 53Cr dû à une desexcitation vers des états métastables. Cette dernière propriété permet d'accumuler en continu 2.10^7 atomes de 52Cr et 8.10^5 atomes de 53Cr dans un piège quadripolaire formé par les bobines du piège magnéto-optique. La première obtention et caractérisation d'un piège magnéto-optique mixte d'un mélange 52Cr-53Cr est aussi exposée. L'accumulation d'atomes bosoniques métastables dans un piège optique superposé à un piège magnétique linéaire est étudiée. Ce piège original permet de réaliser le premier piège optique d'atomes dans des états métastables. En un temps très rapide de 100 ms, le piège optique contient 2.10^6 atomes métastables avec une densité de 10^11 cm^−3. Ce résultat constitue une première étape vers l'obtention d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.
A cause de son fort moment magnetique dans l'etat fondamental, le chrome est un bon candidat pour l'etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52 Cr jusqu’a la condensation de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15000 atomes en 15s au total. Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence (rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la rf. Nous avons egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective d’etudier l'effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.
A cause de son fort moment magnétique dans l’état fondamental, le chrome est unbon candidat pour l’étude des interactions dipolaires dans un gaz dégénéré. Nous avons mis en placeun dispositif expérimental afin de piéger et de refroidir des atomes de 52Cr jusqu’à la condensationde Bose-Einstein. Le refroidissement évaporatif a lieu dans un piège optique, dont le chargement àpartir du piège magnéto-optique est réalisé grâce à une méthode originale d’accumulation en continud’atomes dans des états métastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15 000atomes en 15 s au total.Nous avons étudié la possibilité d’amener les sous-états Zeeman du chrome condensé à dégénérescencedans un champ magnétique statique non nul, en utilisant un champ magnétique radiofréquence(rf). Cela nous a conduit à mettre en évidence un processus de relaxation dipolaire assistée par larf. Nous avons ´egalement étudié une résonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui ala particularité d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analysé cette résonance enprésence de champs rf, et réinterprété l’association rf de molécules comme une simple résonance deFeshbach entre états habillés. Enfin, nous avons mis en place un réseau optique dans la perspectived’étudier l’effet des interactions dipôle-dipôle en dimension réduite.
A cause de son fort moment magnetique dans l’etat fondamental, le chrome est un bon candidat pour l’etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52Cr jusqu’a la condensation de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15 000 atomes en 15 s au total. Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence (rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la rf. Nous avons ´egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective d’etudier l’effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.
Ce travail de thèse s'inscrit dans un effort de recherche entrepris depuis 1996 pour atteindre la condensation de Bose-Einstein (CBE) de l'atome de césium. Les expériences réalisées en 1996 en piège magnétique échouèrent à cause du taux de collisions inélastiques anormalement élevé pour cet atome. La solution consiste à piéger les atomes dans leur état fondamental. Ceci peut être réalisé dans un piège optique ou un piège mixte, magnétique et optique. En octobre 2002, l'équipe de R. Grimm est parvenue à la CBE du césium grâce au piégeage optique. La solution proposée dans ce manuscrit combine un piégeage magnétique vertical, et un piégeage optique transverse réalisé par un faisceau Nd :YAG. La mise en place du piège mixte a été achevée, et certaines de ses caractéristiques ont été dégagées. Ainsi la durée de vie de 4 s représente la limitation actuelle du piège et est discutée à partir de diverses hypothèses. Le régime collisionnel est aussi analysé à partir d'une étude des oscillations de la taille du nuage en fonction du champ magnétique. Le taux de collisions élastiques des atomes au sein du piège apparaît faible, du fait d'une densité insuffisante. Parallèlement, des calculs numériques en lien avec la compréhension de l'expérience ont été menés. Ce travail théorique comporte deux volets. Le premier concerne la modélisation du refroidissement évaporatif unidimensionnel dans notre dispositif, par une simulation Monte-Carlo. Les résultats de cette simulation permettent d'envisager une stratégie vers la condensation. Le second volet repose sur l'application d'une méthode asymptotique pour traiter les collisions entre atomes dans l'état fondamental f=3, mf=3, en présence d'un champ magnétique. Cette étude motivée par l'existence d'une résonance de Feshbach pour cet état a permis l'interprétation d'une expérience de photoassociation dans laquelle le contrôle de la longueur de diffusion par modification du champ magnétique a été mis en évidence.