Ionisation associative entre atomes de sodium excites par un rayonnement polarise : test d'un modele theorique par confrontation aux diverses experiences. extension au cas du potassium
Dans cette these, nous proposons un modele theorique complet de la reaction d'ionisation associative collisionnelle entre deux atomes de sodium excites par un rayonnement laser polarise. Ce modele combine le traitement du defaut quantique multivoies de l'autoionisation moleculaire a courte distance internucleaire et la description de la dynamique a grande distance a l'aide d'hypotheses semi-classiques, et tient compte des conditions d'excitation des partenaires de collision. Ce processus a fait l'objet de tres nombreuses etudes experimentales pendant les deux dernieres decennies. En jouant sur le schema d'excitation, on fait varier l'etat initial de la reaction et on observe un etat final (un ion moleculaire plus un electron libre) qui en depend fortement. Par ailleurs, l'interet pour cette reaction a recemment ete ravive par les experiences de photoassociation a deux couleurs dans un milieu d'atomes froids, ou l'ionisation associative sert de methode de detection. Nous confrontons notre modele a un grand nombre d'experiences realisees aux energies thermiques et qui ont fourni de nombreuses donnees sur la dependance en polarisation et en vitesse de la reaction consideree, lesquelles n'ont jamais ete completement interpretees. Il est en tres bon accord avec les mesures du taux de production d'ions dependant du schema d'excitation. Nous interpretons moins bien les resultats de la section efficace d'ionisation associative variant fortement avec la vitesse de collision, ce qui montre les limites de notre modele pour le traitement de la dynamique a grande distance internucleaire. Enfin, nous etendons notre modele a l'etude de l'ionisation associative entre atomes de potassium qui se produit dans des conditions tres differentes par rapport au cas du sodium du point de vue energetique et sur laquelle il n'existe que de tres rares donnees experimentales.
Dans cette these, nous proposons un modele theorique complet de la reaction d'ionisation associative collisionnelle entre deux atomes de sodium excites par un rayonnement laser polarise. Ce modele combine le traitement du defaut quantique multivoies de l'autoionisation moleculaire a courte distance internucleaire et la description de la dynamique a grande distance a l'aide d'hypotheses semi-classiques, et tient compte des conditions d'excitation des partenaires de collision. Ce processus a fait l'objet de tres nombreuses etudes experimentales pendant les deux dernieres decennies. En jouant sur le schema d'excitation, on fait varier l'etat initial de la reaction et on observe un etat final (un ion moleculaire plus un electron libre) qui en depend fortement. Par ailleurs, l'interet pour cette reaction a recemment ete ravive par les experiences de photoassociation a deux couleurs dans un milieu d'atomes froids, ou l'ionisation associative sert de methode de detection. Nous confrontons notre modele a un grand nombre d'experiences realisees aux energies thermiques et qui ont fourni de nombreuses donnees sur la dependance en polarisation et en vitesse de la reaction consideree, lesquelles n'ont jamais ete completement interpretees. Il est en tres bon accord avec les mesures du taux de production d'ions dependant du schema d'excitation. Nous interpretons moins bien les resultats de la section efficace d'ionisation associative variant fortement avec la vitesse de collision, ce qui montre les limites de notre modele pour le traitement de la dynamique a grande distance internucleaire. Enfin, nous etendons notre modele a l'etude de l'ionisation associative entre atomes de potassium qui se produit dans des conditions tres differentes par rapport au cas du sodium du point de vue energetique et sur laquelle il n'existe que de tres rares donnees experimentales.
Ce travail concerne les mecanismes de formation, de destruction et de relaxation interne des ions moleculaires formes au cours de collisions inelastiques ultra-froides. Ces collisions sont etudiees experimentalement dans des pieges hybrides melant un piege d'atomes ultra-froids et un piege d’ions refroidis par laser. Nous avons effectue une analyse theorique systematique des collisions binaires, assistees par la lumiere, impliquant plusieurs sortes de paires atome/ion. Leur interaction mutuelle est decrite par des calculs de chimie quantique bases sur l'utilisation de potentiels de cœur effectifs tres precis. La formation d’ions moleculaires par 'association radiative est predite efficace pour tous les systemes etudies, avec une section efficace deux a dix fois plus grande que le processus concurrent, le transfert de charge radiatif. Les constantes de vitesse partielles et totales sont aussi calculees et comparees aux valeurs experimentales disponibles. Des resonances de forme sont attendues avec une largeur tres faible, et pourraient etre observees avec la meilleure resolution experimentale atteinte aujourd'hui. Les distributions vibrationnelles ont aussi ete calculees. Elles montrent que les ions moleculaires formes ne sont pas crees dans leur etat vibrationnel fondamental. Nous avons ensuite montre que ces ions moleculaires pouvaient etre photodissocies par les lasers utilises dans l’experience pour le refroidissement et le piegeage. Par ailleurs nous avons etudie la relaxation vibrationnelle des ions formes. Dans les echelles de temps des differentes experiences, nous avons montre que celle-ci ne resulte pas d'une relaxation radiative associee au moment dipolaire permanent de l'ion, mais plutot a des collisions avec les atomes ultra-froids environnants. Nous avons ainsi etudie cette relaxation interne pour les ions H₂⁺ (resp. Rb₂⁺) lors d'une collision avec des atomes ultra-froids de He (resp. Rb). Ces deux cas sont importants pour des experiences en cours. Nous avons decrit le calcul du potentiel d'interaction necessaire pour l'obtention de la matrice de couplage qui intervient dans la resolution desequations couplees multi-voies. En particulier il a ete montre, dans le cas He-H₂⁺, que les interactions spin-rotation, du fait de la structure doublet de l'ion, n'ont qu'une faible influence sur la somme des sections efficaces d'etat a etat (avec ou sans effet vibrationnel). Ces calculs peuvent etre donc simplifies en traitant l'ion a un electron actif comme etant dans un etat de spin nul. Dans le cas Rb-Rb₂⁺, l'etude de la relaxation vibrationnelle de l'ion Rb₂⁺ suite a des collisions froides avec des atomes de Rb se heurte a des difficultes supplementaires: (i) l'echange des atomes identiques conduisant a des collisions reactives qui induisent des pertes dans le piege. (ii) la forte densite d'etats internes due a la lourde masse du systeme. (iii) les interactions inter-voies encore presentes a tres longues distances du fait cette forte densite. Neanmoins, nos calculs montrent que la forte anisotropie observee dans les surfaces d'energie potentielle conduit a la relaxation efficace de l'ion Rb₂⁺ par collision avec des atomes de Rb. Cette tendance pourrait etre tres generale pour les ions moleculaires triatomiques presentant une forte anisotropie a courte distances et qui sont couramment utilises dans les pieges hybrides.
Ce travail s’inscrit dans le contexte de l’etude theorique des processus de formation de molecules froides et comporte deux volets : (i) la modelisation de la photoassociation d’atomes froids par une approche MQDT (Multichannel Quantum Defect Theory) appliquee au dimere de rubidium 85 ; (ii) la dynamique collisionnelle du complexe de Van der Waals ArNO (i) La photo-association consiste a associer une paire d'atomes d'un piege d'atomes froids a l'aide d'un laser de frequence appropriee, pour former une molecule excitee, le plus souvent dans des niveaux vibrationnels tres eleves, c'est a dire de faible energie de liaison. Dans certains cas, la photoassociation peuple deux etats electroniques couples par spin-orbite. La dynamique du systeme se decrit alors comme une resonance, resultant de l’interaction d’un niveau lie isole en interaction avec le quasi-continuum. Les energies des niveaux de ce systeme couple sont obtenues numeriquement par une methode de discretisation de variables (DVR). Les caracteristiques des resonances (positions et largeurs) sont obtenues en introduisant dans la methode DVR un potentiel optique convenablement choisi. L’approche MQDT permet egalement de decrire un tel systeme au moyen d’un nombre restreint de parametres de facon a ce qu’ils reproduisent les memes resultats que l’approche purement numerique (DVR+potentiel optique), et nous avons discute leur interpretation physique. (ii) Le complexe de Van der Waals ArNO constitue un cas prototype pour l’etude d’un systeme triatomique. Nous nous interessons plus particulierement a la photodissociation de complexe, pour laquelle existent des donnees experimentales recentes. Il s’agit de tester notre approche numerique pour le traitement de la photodissociation au seuil, qui represente le processus inverse de la photoassociation entre atomes et molecules froids. Nous representons la dynamique de la collision ArNO en coordonnee de Jacobi, et nous determinons la matrice de collision par resolution numerique du systeme d’equations couplees associes. Nous avons tout d’abord calcule la section efficace et les rapports de branchements du produit NO de photo-dissociation. La comparaison avec les resultats experimentaux recents fait apparaitre plusieurs differences qui nous ont conduit a discuter le role des conditions experimentales et la qualite de la representation des etats electroniques. Nous avons valider nos surfaces de potentiels obtenus par une methode semi-empirique par comparaison avec des surfaces issues d’un calcul de chimie quantique de grande taille. Nous avons etendu l’etude de la photodissociation au seuil ou des resultats experimentaux sont aussi disponibles. Nous avons isole les resonances de photodissociation et proposer une interpretation
L’objectif premier de ce travail de thèse, qui se situe dans le cadre de l’étoile laser, a été atteint :les résultats expérimentaux de photométrie obtenus sont précis, fiables et reproductibles. Un sointrès particulier a été accordé aux méthodes de calibration, qui nous ont permis d’effectuer desmesures précises de flux de fluorescence en fonction de la puissance. Les lasers sans mode ontaussi été fiabilisés.Deux codes de calculs ont interprété ces expériences : Beacon, et REM, le code que nous avonsdéveloppé. Les simulations fournies par REM et Beacon, et l’ensemble des nombreux résultatsexpérimentaux, sont en très bon accord. Chacun des deux codes présente ses avantages parrapport à l’autre : REM permet l’analyse de plusieurs situations d’excitation, comme l’excitation àun photon à 330 nm et à deux photons non-résonants, de plus, il permet assez facilement d’incluredes phénomènes collisionnels, enfin, le temps calcul est de l’ordre de quelques minutes par point(par rapport à celui de Beacon qui est de 24 heures par point). Beacon, par contre, permet la priseen compte des effets des cohérences à l’excitation et de la polarisation du laser.Dans ce travail, nous avons étudié quatre types d’excitation de l’atome de sodium, une dans lecadre LGS et trois dans le cadre PLGS. Celles-ci sont toutes très bien interprétées par REM qui neprend en compte aucun paramètre ajustable à l’exception de la pression dans la cellule de sodium,qui est choisie dans tous les cas égale à 0.2 Torr, et de la structure hyperfine prise en compte parun paramètre qui a été ajusté à 3 grâce aux résultats expérimentaux pour l’excitation à deuxphotons 589+569 nm (pour les autres cas, celle-ci est prise, sans ajustement, égale à 6).L’intégration de la structure hyperfine dans REM est nécessaire, comme le mettent en évidence lesquatre expériences de photométrie en laser sans mode. Une bonne estimation de la section efficaceà deux photons pour le cas de l’excitation à deux photons non-résonants a été aussi possible àl’aide des résultats expérimentaux.Cette thèse a été une occasion de réaliser des simulations numériques avec REM pour laproduction d’étoiles lasers dans la mésosphère. Tout d’abord, ces calculs ont montré que le flux à330 nm fourni par l’excitation à 2x578 nm est, en moyenne, 8 ordres de grandeur inférieur à celuidonné par les deux autres méthodes d’excitation. Puis, nous avons montré que, à puissance égale,le flux à 330 nm provenant de l’excitation directe à un photon à 330 nm est toujours supérieur àcelui fourni par l’excitation à deux photons résonants. On a trouvé qu’il faudrait environ 10 W UVpour égaler le flux fourni par les lasers actuels du projet ELPOA. Cette puissance en UV à 330 nmau jour d’aujourd’hui est un peu plus difficile à obtenir, mais il faut considérer aussi le fait qu’il nefaudrait qu’un seul laser pour corriger le tip-tilt.262Ce travail montre aussi que le cas du laser sans mode donne toujours le meilleur rendement defluorescence.Enfin, la précision de la mesure du tip-tilt différentiel est fortement liée aux deux paramètressuivants : l’intensité du flux Φ330 retourné à 330 nm, et à la taille de l’image Σ obtenue sur ledétecteur tip-tilt. Elle varie comme : Σ /Φ330 . La meilleure situation correspond à un flux retournéle plus grand possible et une surface de spot de fluorescence la plus petite possible. Le flux estlimité par la puissance laser et la densité de sodium dans la mésosphère ; la surface est limitée parla diffraction. Pour l’excitation à un photon en laser sans mode à 330 nm, comme on se situe dansle régime linéaire, le flux est indépendant de la surface comme le montre la formule asymptotique,et donc, la surface du faisceau peut être réduite sans avoir de pertes au niveau du flux. Aucontraire, l’excitation à deux photons est un processus non-linéaire et donc, le flux retourné dépendde la surface du faisceau. A saturation, le spot de fluorescence et celui du laser ne sont pasidentiques ; en fait, la saturation tend à augmenter la dimension du spot de fluorescence parrapport à celle du laser, et la non-linéairité tend à la diminuer dans le cas d’une PLGS.L’optimisation de ce rapport devra aussi tenir compte de la distorsion introduite par l’atmosphère.Compte tenu du bon accord obtenu dans ce travail entre REM, Beacon, et l’expérience, et enignorant les difficultés techniques supplémentaires de l’expérience sur le ciel, on peut estimer quele flux à 330 nm, au départ de la mésosphère, dans le cas du projet ELPOA actuellement engagé,sera d’environ 5x104 photons/s/m2. En prenant les valeurs de l’article [Schöck2000]7 pour latransmission de l’atmosphérique à l’OHP et des instruments de 8%, et, un temps de pose moyende 50 ms par trame, on trouve que 200 photons arriverons sur la camera. Par ailleurs, lesastronomes estime qu’il faudra pointer cette étoile UV au 600éme de sa largeur [FOY2005]8. Cecinous parait difficilement réalisable.
Les atomes de Rydberg constituent des objets idéaux pour l’étude des systèmes physiques en interaction à longue portée. Transposer à ces atomes très excités les techniques habituelles d’imagerie et de piegeage des atomes froids offrirait de nouvelles opportunités pour le domaine de la simulation quantique. Notre approche consiste à utiliser un atome à deux électrons de valence optiquement actifs tel que l’ytterbium. En effet, les transitions optiques du coeur ionique de cet atome ouvrent la voie à de nombreuses perspectives pour la manipulation optique dans l'état de Rydberg. Lorsque l’atome est doublement excité, il peut néanmoins auto-ioniser puisque son énergie se situe au delà de la première limite d’ionisation. La possibilité de s’affranchir totalement de l’autoionisation est une question ouverte.Dans cette thèse, nous présentons en premier lieu les contributions apportées au montage de l’expérience,du refroidissement des atomes d’ytterbium sur la raie d’intercombinaison à l’excitation dans des états de Rydberg. A cause des interactions entre électrons de valence, la spectroscopie de ces états très excités est plus complexe dans l'ytterbium que dans les atomes alcalins. Une étude expérimentale couplée à une analyse par théorie du défaut quantique à plusieurs voies (MQDT) a été réalisée sur diverses séries Rydberg (s, p, d et f). Cette étude, prérequis essentiel, a permis d’améliorer la précision de plus de deux ordres de grandeur sur la spectroscopie des séries étudiées.L’excitation du coeur ionique a ensuite été mise en place sur la transition 6s1/2 → 6p1/2 . Nous avons alors étudié expérimentalement et théoriquement l’excitation du coeur isolé pour des états de Rydberg de grand moment orbital (l = 5 - 9). Cette étude a montré que l'auto-ionisation est dominée par le couplage au continuum de l'état de coeur 5d3/2. Par opposition a l'atome de baryum, pour lequel l'autoionisation chute rapidement avec le moment orbital de l'électron Rydberg, nous avons montré que cette tendance est moins marquée sur l'ytterbium. Grace à cette étude, nous pourrons déterminer les états pour lesquels la manipulation optique par laser est possible.
Ce travail concerne les mécanismes de formation, de destruction et de relaxation interne des ions moléculaires formes au cours de collisions inélastiques ultra-froides. Ces collisions sont étudiées expérimentalement dans des pièges hybrides mêlant un piège d'atomes ultra-froids et un piège d’ions refroidis par laser. Nous avons effectué une analyse théorique systématique des collisions binaires, assistées par la lumière, impliquant plusieurs sortes de paires atome/ion. Leur interaction mutuelle est décrite par des calculs de chimie quantique basés sur l'utilisation de potentiels de cœur effectifs très précis. La formation d’ions moléculaires par 'association radiative est prédite efficace pour tous les systèmes étudiés, avec une section efficace deux à dix fois plus grande que le processus concurrent, le transfert de charge radiatif. Les constantes de vitesse partielles et totales sont aussi calculées et comparées aux valeurs expérimentales disponibles. Des résonances de forme sont attendues avec une largeur très faible, et pourraient être observées avec la meilleure résolution expérimentale atteinte aujourd'hui. Les distributions vibrationnelles ont aussi été calculées. Elles montrent que les ions moléculaires formés ne sont pas créés dans leur état vibrationnel fondamental. Nous avons ensuite montré que ces ions moléculaires pouvaient être photodissociés par les lasers utilisés dans l’expérience pour le refroidissement et le piégeage. Par ailleurs nous avons étudié la relaxation vibrationnelle des ions formés. Dans les échelles de temps des différentes expériences, nous avons montré que celle-ci ne résulte pas d'une relaxation radiative associée au moment dipolaire permanent de l'ion, mais plutôt à des collisions avec les atomes ultra-froids environnants. Nous avons ainsi étudié cette relaxation interne pour les ions H₂⁺ (resp. Rb₂⁺) lors d'une collision avec des atomes ultra-froids de He (resp. Rb). Ces deux cas sont importants pour des expériences en cours. Nous avons décrit le calcul du potentiel d'interaction nécessaire pour l'obtention de la matrice de couplage qui intervient dans la résolution deséquations couplées multi-voies. En particulier il a été montré, dans le cas He-H₂⁺, que les interactions spin-rotation, du fait de la structure doublet de l'ion, n'ont qu'une faible influence sur la somme des sections efficaces d'état à état (avec ou sans effet vibrationnel). Ces calculs peuvent être donc simplifiés en traitant l'ion à un électron actif comme étant dans un état de spin nul. Dans le cas Rb-Rb₂⁺, l'étude de la relaxation vibrationnelle de l'ion Rb₂⁺ suite à des collisions froides avec des atomes de Rb se heurte à des difficultés supplémentaires: (i) l'échange des atomes identiques conduisant à des collisions réactives qui induisent des pertes dans le piège. (ii) la forte densité d'états internes due à la lourde masse du système. (iii) les interactions inter-voies encore présentes à très longues distances du fait cette forte densité. Néanmoins, nos calculs montrent que la forte anisotropie observée dans les surfaces d'énergie potentielle conduit à la relaxation efficace de l'ion Rb₂⁺ par collision avec des atomes de Rb. Cette tendance pourrait être très générale pour les ions moléculaires triatomiques présentant une forte anisotropie à courte distances et qui sont couramment utilisés dans les pièges hybrides.
Cette etude porte essentiellement sur les collisions ionisantes mettant en jeu des etats excites dans un melange de vapeurs saturantes K-Rb, a energie thermique. La methode experimentale consiste en l'excitation laser continue et resonnante en deux etapes des etats de Rydberg intermediaires (n 10) et l'analyse par spectrometrie de masse du courant d'ions. La relaxation radiative et colli sionnelle des atomes engendre un milieu complexe. Les processus collisionnels les plus efficaces sont l'ionisation Penning et l'ionisation Hornbeck-Molnar. Dans le systeme heteronucleaire Rb(nl) + K(4P) on pourrait s'attendre aux voies de sortie : Rb(nl) + K(4P) -- + e+ K + e + Rb + e. Les mesures montrent que la premiere voie a une section efficace moyenne de 10-13 cm2. Celles des autres sont au moins trois ordres de grandeurs plus petites et sont donc comparativement negligeables. L'ensemble des resultats obtenus a partir des niveaux 50 a lOS permet de montrer que le flux de la voie d'entree s'ionise a grande separation entre Rb(nl) et K(4P). Le processus d'ionisation est domine par les forces de polarisation, les forces d'echange etant comparativement negligeables. Dans le present melange, l'ionisation Hornbeck- Molnar conduit a la formation d'ions homonucleaires K2+, Rb2+ et heteronucleaires KRb+. Nous avons mesure les taux de reaction dans les systemes K ( nl) + Rb--KRb+ + e Rb(nl) + K--KRb+ + e-. Les taux de reaction augmentent avec l'enersie d'excitation de l'etat nl, ils ne presentent pas de differences fondamentales avec ceux connus dans les alcalins en phase vapeur pure.