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Annales de Physique

Ailes lointaines des raies interdites du cesium en présence de gaz rares : Potentiels d’interaction et force d’oscillateur des transitions induites par collisions

B. Sayer, Michel Ferray, J. P. Visticot, J. Lozingot

Published Jan 1, 1980• 1 citation
Publisher

Abstract

On étudie la dépendance en fonction de la température des profils des ailes lointaines des raies élargies par collisions atome-atome. L’interprétation quasi-statique (moléculaire) de ces dépendances permet de remonter, sous certaines conditions, aux potentiels d’interaction entre les partenaires de la collision pour des distances interatomiques de Tordre de 3 à 6 Å. Dans le cas des raies interdites pour l’atome isolé, la transition radiative est provoquée par la collision et Ton peut déduire de l’étude des ailes la force d’oscillateur de cette transition induite en fonction de la distance entre l’atome qui absorbe (ou émet) le rayonnement et le perturbateur.

DOI
10.1051/anphys/198005050291

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Étude des interactions dipolaires induites par la lumières dans les ensembles d'atomes froids

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Notre equipe etudie le comportement collectif d'un gaz d'atomes en presence d'interactions de type dipole-dipole. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d'onde quasi-resonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l'effet du champ laser, et les dipoles induits interagissent entre eux via le champ qu'ils rayonnent. Cette interaction est d'autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considerablement le comportement radiatif de l'ensemble atomique, voire empecher l'excitation de plusieurs atomes a la fois. Par exemple, pour deux atomes situes a une distance inferieure a la longueur d'onde divisee par deux pi, elle deplace les niveaux d'energie de plus que la largeur naturelle de la transition atomique, de sorte que le laser ne peut plus exciter qu'un seul des deux atomes. Un autre exemple est celui d'un nuage d'atomes dense, qui peut se comporter comme une cavite sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa frequence et son taux de relaxation propres, differents de ceux d'un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage reemet l'excitation emmagasinee plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d'autres sont au contraire sub-radiants. Afin d'etudier ces phenomenes, notre equipe a construit une experience qui permet de pieger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piege laser de dimensions ~1µm^3. Nous excitons les atomes pres de la transition a 780 nm. La taille du nuage, de l'ordre de 100 nm, est proche de lambda sur deux pi. Enfin, l'elargissement Doppler des transitions atomiques est negligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-ideale pour l'observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons recemment observe que les interactions induisent une reduction importante de la lumiere diffusee par le nuage. Cette reduction s'accompagne d'un elargissement de la transition atomique. L'analyse theorique des modes collectifs du nuage nous a montre que cette reduction est liee a l'excitation de modes super-radiants delocalises sur l'ensemble du nuage.

•Feb 26, 2020•0 citations

Calcul de l'intensité induite par collisions dans les spectres d'absorption atomiques

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Journal de physique•Jan 1, 1970•1 citation

Contributions a l'etude des collisions et des interactions dans un gaz froid d'atomes de rydberg de cesium : entonnoir a atomes spectroscopie de croisements evites des collisions resonnantes au gaz de rydberg gele

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Le but de cette these consiste en l'etude de phenomenes de collisions et la mise en evidence d'effets collectifs entre atomes refroidis par laser. Elle est divisee en trois parties distinctes: pour pouvoir observer des collisions entre atomes froids, il est necessaire de mettre en place des dispositifs livrants des echantillons d'atomes froids denses. Une premiere partie s'occupe des experiences de mise en place et d'amelioration d'un piege magneto-optique a deux dimensions. Avec un tel dispositif, on a ete capable de comprimer des jets ralentis sur un diametre de 200 micrometres, tout en augmentant la densite d'un facteur 300. Desirant connaitre le comportement d'atomes de rydberg en presence de champs electriques externes, on a entrepris des experiences spectroscopiques de croisements evites entre etats stark du cesium. Le developpement d'une nouvelle methode profitant de la dependance du chemin d'ionisation sur les croisements evites a permis de les caracteriser jusqu'a des largeurs de 30 mhz. La troisieme partie de cette these detaille les experiences de collisions resonnantes entre atomes de rydberg qui ont ete realisees sur des atomes de cesium d'un jet thermique et d'un piege magneto-optique a trois dimensions. En examinant les resultats obtenus, on observe une nette difference entre ces deux regimes de collisions. Les collisions thermiques sont correctement decrites en tant que processus de collision entre deux atomes isoles, presentant une section efficace et une vitesse de collision. Dans le cas d'atomes ultra-froids, la vitesse de collision devient nulle et le temps de collision excede la duree de vie des atomes de rydberg impliques. Ceux-ci voient une interaction constante qui depend du nombre et de la densite de partenaires de collision. On assiste ainsi a des effets collectifs entre atomes de rydberg qui sont figes dans une sorte de gaz gele ou de cristal desordonne

•Jan 1, 1996•0 citations

Relaxation par collisions des états excités d'un atome

A. Omont

La théorie des collisions interatomiques, dans le cadre de l'approximation soudaine, est généralisée de façon à calculer l'influence de ces collisions sur l'évolution de la matrice densité de l'état excité des atomes d'une vapeur. On se limite à l'étude de l'interaction électrostatique dipolaire et de ses termes du premier ordre (résonnants) et du deuxième ordre (non-résonnants). Pour effectuer la moyenne des effets d'une collision, on utilise systématiquement un développement de la matrice densité en composantes standard d'opérateurs tensoriels irréductibles ; ceci permet de simplifier la définition et le calcul des sections efficaces et des temps de relaxation correspondant aux différentes observables. Ce traitement est étendu au cas d'isotopes impairs en supposant que chaque collision n'affecte que la partie électronique de la fonction d'onde de l'atome. On confronte enfin les résultats de cette théorie avec ceux de diverses expériences (double résonance, dépolarisation du rayonnement de résonance, transfert d'excitation entre différents isotopes d'un même élément...) réalisées sur les niveaux triplets du mercure, du cadmium et du zinc (collisions Hg-Hg, Cd-Cd, Zn-Zn et Hg-gaz rares).

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Nous avons étudié la luminescence des gaz rares solides excités par bombardement électronique. La partie haute énergie du spectre comprend des raies très fines à une énergie comparable à celle de l'exciton libre observé en réflectivité ou en absorption et une ou plusieurs bandes larges environ 1,5 eV en dessous des raies fines. Les raies fines sont dues à la recombinaison d'excitons libres ou faiblement piégés. Les bandes larges sont émises par des excitons moléculaires, formés d'atomes excités autopiégés sur un atome voisin dans son état fondamental. La différence de 1 à 2 eV entre la raie de résonance atomique et la bande de luminescence du solide est due en partie à l'énergie de liaison de l'exciton moléculaire et en partie à l'énergie potentielle de répulsion dans l'état final entre les deux atomes à une distance nettement inférieure à la distance interatomique à l'équilibre.

Le Journal de Physique Colloques•Apr 1, 1974•6 citations

Formation de molécules froides par photoassociation d'atomes froids de césium. Mise en évidence de forces à longue portée entre atomes froids excités de césium.

D. Comparat

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et l'interprétation théorique des processus de photoassociation et de formation de molécules froides de césium, ainsi que sur l'étude des forces dipolaires entre une paire d'atomes de césium froids excités. La photoassociation moléculaire d'atomes froids de césium a été réalisée expérimentalement : deux atomes absorbent un photon pour former une molécule électroniquement excitée dans un état de rotation-vibration donné. L'expérience a permis la première observation de molécules translationnellement froides obtenues après désexcitation spontanée des molécules photoassociées. La forme en double puits des courbes de potentiel des états moléculaires $0_g^- (6s+6p_(3/2))$ et $1_u (6s+6p_(3/2))$ du césium est la clé de l'efficacité du processus. Ces molécules froides formées sont détectées sélectivement par temps de vol après leur photoionisation en ions Cs$_2^+$. Des températures de $20-200\,\mu$K ont été mesurées. La photoassociation offre une méthode de spectroscopie à haute résolution qui permet d'atteindre des états moléculaires de grande élongation, donnant accès aux données asymptotiques. La spectroscopie du puits de potentiel externe de l'état $0_g^-(6s+6p_(3/2))$ du césium a été effectuée et est analysée par une approche R.K.R.. Une théorie unifiée de la photoassociation en champ faible, vue comme une collision assistée par laser, est développée dans ce manuscrit. Les expériences avec les atomes froids permettent l'étude des collisions entre deux atomes soumis à une interaction mutuelle à grande distance de type dipôle-dipôle. Deux systèmes physiques différents sont étudiés : une assemblée d'atomes de Rydberg et la photoassociation. La modification du mouvement d'une paire d'atomes offre la possibilité de ``contrôler" les forces dipolaires et de ``choisir" les vitesses relatives entre atomes.

•Sep 23, 1999•0 citations
On étudie la dépendance en fonction de la température des profils des ailes lointaines des raies élargies par collisions atome-atome. L’interprétation quasi-statique (moléculaire) de ces dépendances permet de remonter, sous certaines conditions, aux potentiels d’interaction entre les partenaires de la collision pour des distances interatomiques de Tordre de 3 à 6 Å. Dans le cas des raies interdites pour l’atome isolé, la transition radiative est provoquée par la collision et Ton peut déduire de l’étude des ailes la force d’oscillateur de cette transition induite en fonction de la distance entre l’atome qui absorbe (ou émet) le rayonnement et le perturbateur.
Notre equipe etudie le comportement collectif d'un gaz d'atomes en presence d'interactions de type dipole-dipole. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d'onde quasi-resonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l'effet du champ laser, et les dipoles induits interagissent entre eux via le champ qu'ils rayonnent. Cette interaction est d'autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considerablement le comportement radiatif de l'ensemble atomique, voire empecher l'excitation de plusieurs atomes a la fois. Par exemple, pour deux atomes situes a une distance inferieure a la longueur d'onde divisee par deux pi, elle deplace les niveaux d'energie de plus que la largeur naturelle de la transition atomique, de sorte que le laser ne peut plus exciter qu'un seul des deux atomes. Un autre exemple est celui d'un nuage d'atomes dense, qui peut se comporter comme une cavite sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa frequence et son taux de relaxation propres, differents de ceux d'un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage reemet l'excitation emmagasinee plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d'autres sont au contraire sub-radiants. Afin d'etudier ces phenomenes, notre equipe a construit une experience qui permet de pieger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piege laser de dimensions ~1µm^3. Nous excitons les atomes pres de la transition a 780 nm. La taille du nuage, de l'ordre de 100 nm, est proche de lambda sur deux pi. Enfin, l'elargissement Doppler des transitions atomiques est negligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-ideale pour l'observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons recemment observe que les interactions induisent une reduction importante de la lumiere diffusee par le nuage. Cette reduction s'accompagne d'un elargissement de la transition atomique. L'analyse theorique des modes collectifs du nuage nous a montre que cette reduction est liee a l'excitation de modes super-radiants delocalises sur l'ensemble du nuage.
Le but de cette these consiste en l'etude de phenomenes de collisions et la mise en evidence d'effets collectifs entre atomes refroidis par laser. Elle est divisee en trois parties distinctes: pour pouvoir observer des collisions entre atomes froids, il est necessaire de mettre en place des dispositifs livrants des echantillons d'atomes froids denses. Une premiere partie s'occupe des experiences de mise en place et d'amelioration d'un piege magneto-optique a deux dimensions. Avec un tel dispositif, on a ete capable de comprimer des jets ralentis sur un diametre de 200 micrometres, tout en augmentant la densite d'un facteur 300. Desirant connaitre le comportement d'atomes de rydberg en presence de champs electriques externes, on a entrepris des experiences spectroscopiques de croisements evites entre etats stark du cesium. Le developpement d'une nouvelle methode profitant de la dependance du chemin d'ionisation sur les croisements evites a permis de les caracteriser jusqu'a des largeurs de 30 mhz. La troisieme partie de cette these detaille les experiences de collisions resonnantes entre atomes de rydberg qui ont ete realisees sur des atomes de cesium d'un jet thermique et d'un piege magneto-optique a trois dimensions. En examinant les resultats obtenus, on observe une nette difference entre ces deux regimes de collisions. Les collisions thermiques sont correctement decrites en tant que processus de collision entre deux atomes isoles, presentant une section efficace et une vitesse de collision. Dans le cas d'atomes ultra-froids, la vitesse de collision devient nulle et le temps de collision excede la duree de vie des atomes de rydberg impliques. Ceux-ci voient une interaction constante qui depend du nombre et de la densite de partenaires de collision. On assiste ainsi a des effets collectifs entre atomes de rydberg qui sont figes dans une sorte de gaz gele ou de cristal desordonne
La théorie des collisions interatomiques, dans le cadre de l'approximation soudaine, est généralisée de façon à calculer l'influence de ces collisions sur l'évolution de la matrice densité de l'état excité des atomes d'une vapeur. On se limite à l'étude de l'interaction électrostatique dipolaire et de ses termes du premier ordre (résonnants) et du deuxième ordre (non-résonnants). Pour effectuer la moyenne des effets d'une collision, on utilise systématiquement un développement de la matrice densité en composantes standard d'opérateurs tensoriels irréductibles ; ceci permet de simplifier la définition et le calcul des sections efficaces et des temps de relaxation correspondant aux différentes observables. Ce traitement est étendu au cas d'isotopes impairs en supposant que chaque collision n'affecte que la partie électronique de la fonction d'onde de l'atome. On confronte enfin les résultats de cette théorie avec ceux de diverses expériences (double résonance, dépolarisation du rayonnement de résonance, transfert d'excitation entre différents isotopes d'un même élément...) réalisées sur les niveaux triplets du mercure, du cadmium et du zinc (collisions Hg-Hg, Cd-Cd, Zn-Zn et Hg-gaz rares).
Nous avons étudié la luminescence des gaz rares solides excités par bombardement électronique. La partie haute énergie du spectre comprend des raies très fines à une énergie comparable à celle de l'exciton libre observé en réflectivité ou en absorption et une ou plusieurs bandes larges environ 1,5 eV en dessous des raies fines. Les raies fines sont dues à la recombinaison d'excitons libres ou faiblement piégés. Les bandes larges sont émises par des excitons moléculaires, formés d'atomes excités autopiégés sur un atome voisin dans son état fondamental. La différence de 1 à 2 eV entre la raie de résonance atomique et la bande de luminescence du solide est due en partie à l'énergie de liaison de l'exciton moléculaire et en partie à l'énergie potentielle de répulsion dans l'état final entre les deux atomes à une distance nettement inférieure à la distance interatomique à l'équilibre.
Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et l'interprétation théorique des processus de photoassociation et de formation de molécules froides de césium, ainsi que sur l'étude des forces dipolaires entre une paire d'atomes de césium froids excités. La photoassociation moléculaire d'atomes froids de césium a été réalisée expérimentalement : deux atomes absorbent un photon pour former une molécule électroniquement excitée dans un état de rotation-vibration donné. L'expérience a permis la première observation de molécules translationnellement froides obtenues après désexcitation spontanée des molécules photoassociées. La forme en double puits des courbes de potentiel des états moléculaires 0g−(6s+6p(3/2))0_g^- (6s+6p_(3/2))0g−​(6s+6p(​3/2)) et 1u(6s+6p(3/2))1_u (6s+6p_(3/2))1u​(6s+6p(​3/2)) du césium est la clé de l'efficacité du processus. Ces molécules froides formées sont détectées sélectivement par temps de vol après leur photoionisation en ions Cs2+_2^+2+​. Des températures de 20−200 μ20-200\,\mu20−200μK ont été mesurées. La photoassociation offre une méthode de spectroscopie à haute résolution qui permet d'atteindre des états moléculaires de grande élongation, donnant accès aux données asymptotiques. La spectroscopie du puits de potentiel externe de l'état 0g−(6s+6p(3/2))0_g^-(6s+6p_(3/2))0g−​(6s+6p(​3/2)) du césium a été effectuée et est analysée par une approche R.K.R.. Une théorie unifiée de la photoassociation en champ faible, vue comme une collision assistée par laser, est développée dans ce manuscrit. Les expériences avec les atomes froids permettent l'étude des collisions entre deux atomes soumis à une interaction mutuelle à grande distance de type dipôle-dipôle. Deux systèmes physiques différents sont étudiés : une assemblée d'atomes de Rydberg et la photoassociation. La modification du mouvement d'une paire d'atomes offre la possibilité de ``contrôler" les forces dipolaires et de ``choisir" les vitesses relatives entre atomes.