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Optique atomique quantique sur des nuages ultra-froids d'hélium métastable

Denis Boiron

Published Feb 23, 2009• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Ce manuscrit décrit les expériences menées sur le montage "hélium métastable" de 1998 à 2008. Dès mon arrivée à l'Institut d'Optique, nous avions décidé de nous lancer dans la course de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Cet atome a en effet un atout : sa métastabilité. Son énergie interne de 20 eV est suffisamment grande pour que cet atome puisse être détecté électroniquement de façon très efficace par une galette de micro-canaux ; il est ainsi possible de faire du comptage d'atomes uniques, d'où la thématique optique atomique quantique. De plus, la probabilité d'avoir une ionisation lors d'une collision entre deux ou trois atomes d'hélium métastable est assez importante aux densités atomiques auxquelles nous travaillons. Les ions produits, détectables par la même galette permettent d'avoir un diagnostic in situ original de la densité atomique. On peut chronologiquement distinguer trois périodes. De 1998 à 2004 nous avons obtenu le condensat et étudié ces propriétés collisionnelles. De 2004 à 2007 nous avons mesuré les propriétés de corrélation à deux corps des nuages au-dessus ou en dessous de la dégénérescence quantique, suite à une amélioration de notre système de détection. Depuis 2006, nous avons commencé une nouvelle thématique portant sur l'optique atomique quantique et une première expérience sur la création de paires d'atomes a déjà eu lieu.

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Cette thèse présente des résultats obtenues par des méthodes originales sur les nuages d'atomes ultra-froids au voisinage de la condensation de Bose-Einstein. Les atomes qui constituent les nuages utilisés dans ces expériences sont particuliers du fait de leur métastabilité. Plus précisément, ce sont des atomes d'hélium métastable. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon efficace par une galette de micro-canaux. L'utilisation de l'hélium métastable pour l'étude de la dégénérescence quantique est également particulière du fait de la présence de collisions ionisantes au sein de l'échantillon atomique. Les ions He+ créés lors d'une collision inélastique peuvent être détectés "en temps réel", ce qui constitue un diagnostic nouveau et intéressant. En particulier, il est possible d'identifier très précisément le seuil de condensation de Bose-Einstein, c'est-à-dire le moment où commencent à s'accumuler les atomes dans l'état quantique fondamental. L'avantage d'utiliser le taux d'ions comme outil d'observation est sa nature "non-invasive". Contrairement à la technique d'observation habituelle qui exige que les atomes soient lâchés du piège pour permettre leur observation, la mesure du taux d'ions produits par l'échantillon ne change en rien le comportement naturel du nuage. En utilisant cette méthode de diagnostic inhabituelle, une mesure des paramètres collisionnels régissant le comportement du nuage a été obtenue : constantes de collisions ionisantes et longueur de diffusion de l'atome d'hélium métastable.

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Création et étude de sources d'états non classiques pour l'optique atomique quantique

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Ce mémoire rapporte les résultats de plusieurs expériences mettant en jeu des nuages ultra-froids d'hélium métastable. Deux thématiques différentes sont abordées au cours de cette thèse : l'optique atomique quantique et l'étude des propriétés collisionnelles inter-spin. Les premières études présentées ont été réalisées sur un ensemble de paires d'atomes corrélés créé par collision entre deux condensats de Bose-Einstein. Ce processus peut être vu comme un analogue de la conversion paramétrique en optique photonique quantique. Une étude fine des propriétés géométriques du halo de collisions a indiqué une déformation de celui par rapport à la forme sphérique attendue pour une collision en onde S. Nous avons montré que cet effet tire son origine de l'interaction entre atomes et de la dynamique du processus. Par ailleurs, l'étude statistique de ces paires d'atomes corrélés a permis de mettre en évidence une réduction des fluctuations sous le bruit de grenaille de la différence du nombre d'atomes entre deux zones opposées. Ce résultat est un nouvel indice sur la nature des états quantiques créés qui présentent très certainement un réel intérêt dans l'interférométrie atomique et la violation d'inégalités de Bell avec des atomes neutres. Nous décrivons également le piège optique qui a été mis en place et utilisé pour une partie de ces expériences et dont les caractéristiques permettent d'utiliser au mieux notre détecteur d'atomes uniques. Nous avons pu, à l'aide de ce dispositif, mesurer les stabilités relatives de certains états de spin de l'hélium métastable et prouver qu'il est possible de mener des expériences sur des mélanges de spins selon certaines conditions.

•Dec 10, 2010•0 citations

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L'hélium métastable (23S1) est à ce jour le seul élément qui n'est pas dans son état électronique fondamental pour lequel la condensation de Bose-Einstein a été obtenue. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon rapide et efficace par une galette de micro-canaux (MCP). De plus, cette énergie est responsable de collisions ionisantes au sein de l'échantillon piégé magnétiquement (ionisation Penning). Les ions ainsi formés sont également détectés par le MCP. Une fois les caractéristiques du système de détection déterminées, et la démarche expérimentale permettant de produire des condensats de Bose-Einstein détaillée, cette thèse présente les études réalisées pour déterminer l'origine des ions produits ainsi que certaines des nouvelles possibilités qu'offre le signal d'ions. Pour des échantillons de densité suffisamment faible, les ions proviennent majoritairement des collisions avec le gaz résiduel, et le signal est alors proportionnel au nombre d'atomes piégés. Pour des échantillons de densité suffisamment élevée, comme ceux obtenus proches du seuil de condensation, les ions proviennent majoritairement de collisions à deux corps et à trois corps. Le signal d'ions dépend alors également de la densité de l'échantillon. Suivant la gamme de densité, ce signal nous fournit donc une mesure " non-perturbative " en temps réel de ces différentes grandeurs. Nous avons notamment pu montrer qu'il était un précieux indicateur du moment où se produit la condensation, car il rend compte de la brusque augmentation de densité qui se produit alors. En étudiant le taux d'ions en fonction de la densité et du nombre d'atomes de condensats purs et de nuages thermiques au seuil de condensation, nous avons mesuré pour la première fois les constantes de collisions de ces processus d'ionisation. Les résultats trouvés sont en accord avec les prédictions théoriques.

•Jun 27, 2003•0 citations

Condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable

Franck Pereira dos Santos

Nous presentons dans ce memoire la realisation experimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable $2^3S_1$ polarise. Nous commencons par y resumer les predictions theoriques concernant les taux de collisions elastiques et inelastiques entre atomes metastables polarises. Ce sont sur ces predictions tres encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable. Nous presentons ensuite le dispositif experimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisee consiste a pre-refroidir un echantillon de gaz dans un piege magneto-optique, que l'on charge a partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densite dans le piege magneto-optique est limitee par de tres forts taux de collisions inelastiques assistees par la lumiere, que nous avons mesures pour une large gamme de parametres de piegeage. Le gaz piege est ensuite transfere dans un piege magnetostatique ou il est refroidi par la technique du refroidissement evaporatif jusqu'au seuil de degenerescence quantique. Nous avons mesure des temps de vie des atomes dans le piege magnetique de l'ordre de la minute, ce qui demontre que les collisions inelastiques sont supprimees par au moins deux ordres de grandeur des lors que les atomes sont polarises. A l'aide d'une methode de detection purement optique, basee sur l'absorption d'un faisceau laser resonnant a la traversee du nuage atomique, nous avons pu mettre en evidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons deduit une estimation de la longueur de diffusion, $a=(16\pm8)$ nm.

•Jan 1, 2002•1 citation

Condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable

Franck Pereira dos Santos

Nous présentons dans ce mémoire la réalisation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable $2^3S_1$ polarisé. Nous commençons par y résumer les prédictions théoriques concernant les taux de collisions élastiques et inélastiques entre atomes métastables polarisés. Ce sont sur ces prédictions très encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Nous présentons ensuite le dispositif expérimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisée consiste à pré-refroidir un échantillon de gaz dans un piège magnéto-optique, que l'on charge à partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densité dans le piège magnéto-optique est limitée par de très forts taux de collisions inélastiques assistées par la lumière, que nous avons mesurés pour une large gamme de paramètres de piégeage. Le gaz piégé est ensuite transféré dans un piège magnétostatique où il est refroidi par la technique du refroidissement évaporatif jusqu'au seuil de dégénérescence quantique. Nous avons mesuré des temps de vie des atomes dans le piège magnétique de l'ordre de la minute, ce qui démontre que les collisions inélastiques sont supprimées par au moins deux ordres de grandeur dès lors que les atomes sont polarisés. A l'aide d'une méthode de détection purement optique, basée sur l'absorption d'un faisceau laser résonnant à la traversée du nuage atomique, nous avons pu mettre en évidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons déduit une estimation de la longueur de diffusion, $a=(16\pm8)$ nm.

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Thermométrie et propriétés de cohérence d'un gaz quantique ultra-froid d'hélium métastable

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En 2001, la condensation de Bose-Einstein (CBE) a ete obtenue sur un gaz d'helium metastable (He*). L'etat metastable a un temps de vie de 9000 sec et une energie interne de 20 eV. Cette energie peut etre utilisee pour detecter ces atomes avec une galette de micro-canaux. La tres bonne reponse temporelle et le fort gain de ce detecteur ont permis une experience de correlation de densite similaire a celle de R. Twiss et R. Hanbury Brown (HBT) en optique. D’autre part, les collisions non elastiques dans l’echantillon d'He* produisent un flux d’ions, faible mais detectable, proportionnel a la densite du nuage. Ce flux permet de suivre la densite atomique vers la CBE, passant par la transition de phase, en temps reel et de maniere non invasive. Dans cette these nous rendons compte de trois experiences differentes : i) la determination des constantes d’ionisation a deux et trois corps pour l’He*, ii) la determination de la longueur de diffusion, a, de l’He* et iii) la mesure de la fonction de correlation d’intensite d’un nuage d'He* en chute libre. Il a ete montre posterieurement a notre mesure de a que celle-ci etait entachee d'une erreur systematique dont nous proposons une explication. Nous decrivons des techniques de mesure de la temperature et de la fugacite d'un nuage thermique. Finalement un part importante de la these est devolue a la derivation d’une expression analytique de la fonction de correlation d'intensite du flux atomique. Cette analyse a permis d’obtenir des valeurs typiques pour les longueurs de correlation, transverse et longitudinale, et de confirmer la possibilite de realiser une experience de type HBT sur notre montage experimental.

•Jan 1, 2007•0 citations
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Cette thèse présente des résultats obtenues par des méthodes originales sur les nuages d'atomes ultra-froids au voisinage de la condensation de Bose-Einstein. Les atomes qui constituent les nuages utilisés dans ces expériences sont particuliers du fait de leur métastabilité. Plus précisément, ce sont des atomes d'hélium métastable. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon efficace par une galette de micro-canaux. L'utilisation de l'hélium métastable pour l'étude de la dégénérescence quantique est également particulière du fait de la présence de collisions ionisantes au sein de l'échantillon atomique. Les ions He+ créés lors d'une collision inélastique peuvent être détectés "en temps réel", ce qui constitue un diagnostic nouveau et intéressant. En particulier, il est possible d'identifier très précisément le seuil de condensation de Bose-Einstein, c'est-à-dire le moment où commencent à s'accumuler les atomes dans l'état quantique fondamental. L'avantage d'utiliser le taux d'ions comme outil d'observation est sa nature "non-invasive". Contrairement à la technique d'observation habituelle qui exige que les atomes soient lâchés du piège pour permettre leur observation, la mesure du taux d'ions produits par l'échantillon ne change en rien le comportement naturel du nuage. En utilisant cette méthode de diagnostic inhabituelle, une mesure des paramètres collisionnels régissant le comportement du nuage a été obtenue : constantes de collisions ionisantes et longueur de diffusion de l'atome d'hélium métastable.
Ce mémoire rapporte les résultats de plusieurs expériences mettant en jeu des nuages ultra-froids d'hélium métastable. Deux thématiques différentes sont abordées au cours de cette thèse : l'optique atomique quantique et l'étude des propriétés collisionnelles inter-spin. Les premières études présentées ont été réalisées sur un ensemble de paires d'atomes corrélés créé par collision entre deux condensats de Bose-Einstein. Ce processus peut être vu comme un analogue de la conversion paramétrique en optique photonique quantique. Une étude fine des propriétés géométriques du halo de collisions a indiqué une déformation de celui par rapport à la forme sphérique attendue pour une collision en onde S. Nous avons montré que cet effet tire son origine de l'interaction entre atomes et de la dynamique du processus. Par ailleurs, l'étude statistique de ces paires d'atomes corrélés a permis de mettre en évidence une réduction des fluctuations sous le bruit de grenaille de la différence du nombre d'atomes entre deux zones opposées. Ce résultat est un nouvel indice sur la nature des états quantiques créés qui présentent très certainement un réel intérêt dans l'interférométrie atomique et la violation d'inégalités de Bell avec des atomes neutres. Nous décrivons également le piège optique qui a été mis en place et utilisé pour une partie de ces expériences et dont les caractéristiques permettent d'utiliser au mieux notre détecteur d'atomes uniques. Nous avons pu, à l'aide de ce dispositif, mesurer les stabilités relatives de certains états de spin de l'hélium métastable et prouver qu'il est possible de mener des expériences sur des mélanges de spins selon certaines conditions.
L'hélium métastable (23S1) est à ce jour le seul élément qui n'est pas dans son état électronique fondamental pour lequel la condensation de Bose-Einstein a été obtenue. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon rapide et efficace par une galette de micro-canaux (MCP). De plus, cette énergie est responsable de collisions ionisantes au sein de l'échantillon piégé magnétiquement (ionisation Penning). Les ions ainsi formés sont également détectés par le MCP. Une fois les caractéristiques du système de détection déterminées, et la démarche expérimentale permettant de produire des condensats de Bose-Einstein détaillée, cette thèse présente les études réalisées pour déterminer l'origine des ions produits ainsi que certaines des nouvelles possibilités qu'offre le signal d'ions. Pour des échantillons de densité suffisamment faible, les ions proviennent majoritairement des collisions avec le gaz résiduel, et le signal est alors proportionnel au nombre d'atomes piégés. Pour des échantillons de densité suffisamment élevée, comme ceux obtenus proches du seuil de condensation, les ions proviennent majoritairement de collisions à deux corps et à trois corps. Le signal d'ions dépend alors également de la densité de l'échantillon. Suivant la gamme de densité, ce signal nous fournit donc une mesure " non-perturbative " en temps réel de ces différentes grandeurs. Nous avons notamment pu montrer qu'il était un précieux indicateur du moment où se produit la condensation, car il rend compte de la brusque augmentation de densité qui se produit alors. En étudiant le taux d'ions en fonction de la densité et du nombre d'atomes de condensats purs et de nuages thermiques au seuil de condensation, nous avons mesuré pour la première fois les constantes de collisions de ces processus d'ionisation. Les résultats trouvés sont en accord avec les prédictions théoriques.
Nous presentons dans ce memoire la realisation experimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable 23S12^3S_123S1​ polarise. Nous commencons par y resumer les predictions theoriques concernant les taux de collisions elastiques et inelastiques entre atomes metastables polarises. Ce sont sur ces predictions tres encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable. Nous presentons ensuite le dispositif experimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisee consiste a pre-refroidir un echantillon de gaz dans un piege magneto-optique, que l'on charge a partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densite dans le piege magneto-optique est limitee par de tres forts taux de collisions inelastiques assistees par la lumiere, que nous avons mesures pour une large gamme de parametres de piegeage. Le gaz piege est ensuite transfere dans un piege magnetostatique ou il est refroidi par la technique du refroidissement evaporatif jusqu'au seuil de degenerescence quantique. Nous avons mesure des temps de vie des atomes dans le piege magnetique de l'ordre de la minute, ce qui demontre que les collisions inelastiques sont supprimees par au moins deux ordres de grandeur des lors que les atomes sont polarises. A l'aide d'une methode de detection purement optique, basee sur l'absorption d'un faisceau laser resonnant a la traversee du nuage atomique, nous avons pu mettre en evidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons deduit une estimation de la longueur de diffusion, a=(16±8)a=(16\pm8)a=(16±8) nm.
Nous présentons dans ce mémoire la réalisation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable 23S12^3S_123S1​ polarisé. Nous commençons par y résumer les prédictions théoriques concernant les taux de collisions élastiques et inélastiques entre atomes métastables polarisés. Ce sont sur ces prédictions très encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Nous présentons ensuite le dispositif expérimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisée consiste à pré-refroidir un échantillon de gaz dans un piège magnéto-optique, que l'on charge à partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densité dans le piège magnéto-optique est limitée par de très forts taux de collisions inélastiques assistées par la lumière, que nous avons mesurés pour une large gamme de paramètres de piégeage. Le gaz piégé est ensuite transféré dans un piège magnétostatique où il est refroidi par la technique du refroidissement évaporatif jusqu'au seuil de dégénérescence quantique. Nous avons mesuré des temps de vie des atomes dans le piège magnétique de l'ordre de la minute, ce qui démontre que les collisions inélastiques sont supprimées par au moins deux ordres de grandeur dès lors que les atomes sont polarisés. A l'aide d'une méthode de détection purement optique, basée sur l'absorption d'un faisceau laser résonnant à la traversée du nuage atomique, nous avons pu mettre en évidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons déduit une estimation de la longueur de diffusion, a=(16±8)a=(16\pm8)a=(16±8) nm.
En 2001, la condensation de Bose-Einstein (CBE) a ete obtenue sur un gaz d'helium metastable (He*). L'etat metastable a un temps de vie de 9000 sec et une energie interne de 20 eV. Cette energie peut etre utilisee pour detecter ces atomes avec une galette de micro-canaux. La tres bonne reponse temporelle et le fort gain de ce detecteur ont permis une experience de correlation de densite similaire a celle de R. Twiss et R. Hanbury Brown (HBT) en optique. D’autre part, les collisions non elastiques dans l’echantillon d'He* produisent un flux d’ions, faible mais detectable, proportionnel a la densite du nuage. Ce flux permet de suivre la densite atomique vers la CBE, passant par la transition de phase, en temps reel et de maniere non invasive. Dans cette these nous rendons compte de trois experiences differentes : i) la determination des constantes d’ionisation a deux et trois corps pour l’He*, ii) la determination de la longueur de diffusion, a, de l’He* et iii) la mesure de la fonction de correlation d’intensite d’un nuage d'He* en chute libre. Il a ete montre posterieurement a notre mesure de a que celle-ci etait entachee d'une erreur systematique dont nous proposons une explication. Nous decrivons des techniques de mesure de la temperature et de la fugacite d'un nuage thermique. Finalement un part importante de la these est devolue a la derivation d’une expression analytique de la fonction de correlation d'intensite du flux atomique. Cette analyse a permis d’obtenir des valeurs typiques pour les longueurs de correlation, transverse et longitudinale, et de confirmer la possibilite de realiser une experience de type HBT sur notre montage experimental.