Molecules froides : formation de molecules froides par photoassociation d'atomes froids de cesium. mise en evidence de forces a longue portee entre atomes froids excites de cesium
Cette these porte sur l'etude experimentale et l'interpretation theorique des processus de photoassociation et de formation de molecules froides de cesium, ainsi que sur l'etude des forces dipolaires entre une paire d'atomes de cesium froids excites. La photoassociation moleculaire d'atomes froids de cesium a ete realisee experimentalement : deux atomes absorbent un photon pour former une molecule electroniquement excitee dans un etat de rotation-vibration donne. L'experience a permis la premiere observation de molecules translationnellement froides obtenues apres desexcitation spontanee des molecules photoassociees. La forme en double puits des courbes de potentiel des etats moleculaires o g (6s + 6p 3 / 2) et 1 u(6s + 6p 3 / 2) du cesium est la cle de l'efficacite du processus. Ces molecules froides formees sont detectees selectivement par temps de vol apres leur photoionisation en ions cs 2 +. Des temperatures de 20 - 200 k ont ete mesurees. La photoassociation offre une methode de spectroscopie a haute resolution qui permet d'atteindre des etats moleculaires de grande elongation, donnant acces aux donnees asymptotiques. La spectroscopie du puits de potentiel externe de l'etat o g (6s + 6p 3 / 2) du cesium a ete effectuee et est analysee par une approche r. K. R. . Une theorie unifiee de la photoassociation en champ faible, vue comme une collision assistee par laser, est developpee dans ce manuscrit. Les experiences avec les atomes froids permettent l'etude des collisions entre deux atomes soumis a une interaction mutuelle a grande distance de type dipole-dipole. Deux systemes physiques differents sont etudies : une assemblee d'atomes de rydberg et la photoassociation. La modification du mouvement d'une paire d'atomes offre la possibilite de controler les forces dipolaires et de choisir les vitesses relatives entre atomes.
Cette these porte sur l'etude experimentale et l'interpretation theorique des processus de photoassociation et de formation de molecules froides de cesium, ainsi que sur l'etude des forces dipolaires entre une paire d'atomes de cesium froids excites. La photoassociation moleculaire d'atomes froids de cesium a ete realisee experimentalement : deux atomes absorbent un photon pour former une molecule electroniquement excitee dans un etat de rotation-vibration donne. L'experience a permis la premiere observation de molecules translationnellement froides obtenues apres desexcitation spontanee des molecules photoassociees. La forme en double puits des courbes de potentiel des etats moleculaires o g (6s + 6p 3 / 2) et 1 u(6s + 6p 3 / 2) du cesium est la cle de l'efficacite du processus. Ces molecules froides formees sont detectees selectivement par temps de vol apres leur photoionisation en ions cs 2 +. Des temperatures de 20 - 200 k ont ete mesurees. La photoassociation offre une methode de spectroscopie a haute resolution qui permet d'atteindre des etats moleculaires de grande elongation, donnant acces aux donnees asymptotiques. La spectroscopie du puits de potentiel externe de l'etat o g (6s + 6p 3 / 2) du cesium a ete effectuee et est analysee par une approche r. K. R. . Une theorie unifiee de la photoassociation en champ faible, vue comme une collision assistee par laser, est developpee dans ce manuscrit. Les experiences avec les atomes froids permettent l'etude des collisions entre deux atomes soumis a une interaction mutuelle a grande distance de type dipole-dipole. Deux systemes physiques differents sont etudies : une assemblee d'atomes de rydberg et la photoassociation. La modification du mouvement d'une paire d'atomes offre la possibilite de controler les forces dipolaires et de choisir les vitesses relatives entre atomes.
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)) et 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+. Des températures de 20−200μK 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)) 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.
Dans un processus de photoassociation, deux atomes froids de césium absorbent un photon au cours de leur collision pour former une molécule froide électroniquement excitée dans un niveau de rotation et de vibration défini. L'énergie cinétique initiale des atomes libres étant très faible, le processus est résonnant et permet d'effectuer une spectroscopie à haute résolution qui donne accès à des niveaux de vibration de grande élongation, proches de la limite de dissociation. Nous présentons dans cette thèse les spectres des états corrélés à la limite 6S+6P et mettons en évidence le caractère purement longue distance de l'état 1u (6S+6P3/2). Cet état consiste en une paire d'atomes uniquement lié à 1,5 nm par l'interaction électrostatique multipolaire. La modulation de l'intensité des raies pour une progression vibrationnelle donnée reflète la structure nodale de la fonction radiale en onde s de deux atomes en collision dans l'état fondamental. La photoassociation par excitation de l'état 0g-(6S +6P3/2) d'atomes polarisés permet de déterminer les valeurs de la longueur de diffusion de l'état triplet du césium (aT = -530 a0) et du coefficient de Van der Waals de l'état fondamental moléculaire (C6 = 6510 u.a.). La photoassociation d'atomes froids de césium permet aussi la formation de molécules froides dans l'état fondamental singulet ou triplet après émission spontanée des molécules photoassociées. Différents schémas de formation sont caractérisés. Notament, les potentiels en double-puits 0g-(6S+6P3/2) et 1u(6S+6P3/2) présentent un point de Condon à distance intermédiare et constituent un cas idéal pour la formation de molécules froides. Le nuage moléculaire froid est analysé : des températures aussi basses que 20 microKelvins ont été mesurées et la distribution des niveaux de rotation et de vibration est étudiée. Les efficacités pour la réaction de photoassociation et pour la formation de molécules froides sont mesurées et comparées aux calculs théoriques.
Nous avons aborde une etude theorique de la photoassociation d'atomes froids, sous differents aspects, en liaison avec des experiences sur le cesium realisees a orsay, au laboratoire aime cotton. Les outils numeriques utilises et adaptes a ce probleme particulier sont : traitement de la dynamique par une methode de propagation de paquets d'ondes ; determination de niveaux vibrationnels dans un puits de potentiel par une methode de filtre et une methode de grille a pas variable. Nous montrons les resultats d'une etude dependant du temps du processus de photoassociation induit par un laser continu entre deux atomes de cesium froids, pour deux cas de transitions moleculaires dans cs 2 : a 3 + u(6s, 6s) 1 g(6s, 6p 3 / 2) et a 3 + u 0 g(6s, 6p 3 / 2). La dynamique vibrationnelle dans le processus de photodissociation 1 g(6s, 6p 3 / 2) a 3 + u(6s, 6s) induit par un champ fort est egalement consideree : nous observons les oscillations de rabi induites par le champ et la vibration dans les puits de potentiel. Un chapitre de la these est consacre a l'analyse du spectre experimental de photoassociation 0 g(6s, 6p 3 / 2) du cs 2, pour lequel nous avons mis en evidence un effet tunnel a travers la barriere du double puits. Ce phenomene etait peu attendu pour un systeme lourd. Nous avons montre l'importance du couplage entre deux voies et la formation de molecules froides dans de bas niveaux vibrationnels.
Cette thèse s'inscrit dans la thématique des collisions et des interactions impliquant des atomes et des molécules ultrafroids de césium. Ces travaux ont un lien étroit avec les différents domaines que sont la condensation de Bose-Einstein atomique et moléculaire, les atomes de Rydberg, les plasmas froids et l'information quantique. Trois expériences sont décrites dans cette thèse. Dans la première, la caractérisation du régime de collisions élastiques dans un piège hybride optique et magnétique a été menée. Cette étude est d'une grande importance pour évaluer, dans un tel piège, les possibilités d'atteindre la phase quantique de condensation de Bose-Einstein pour l'atome de césium. Dans la deuxième expérience, un dispositif de piégeage dipolaire de molécules de césium, réalisé à l'aide d'un laser CO2, a permis d'obtenir un échantillon dense et froid de molécules, créées par photoassociation d'atomes froids. Le confinement d'atomes et de molécules a été mis en évidence et des études quantitatives de collisions froides inélastiques molécule-atome ont pu être réalisées. Une mesure de ce taux de collisions est donnée dans le manuscrit. Nous abordons, dans la troisième expérience, l'étude détaillée des phénomènes d'interactions à longue distance dipôle-dipôle qui règnent au sein d'un gaz d'atomes de Rydberg froids. Ces interactions ont été mises en évidence et caractérisées à l'aide d'une méthode originale de spectroscopie optique de haute résolution.
Cette thèse présente différentes études sur la formation et la détection de molécules froides. Différents états moléculaires de grandes élongations, pour la molécule Cs2, sont étudié par spectroscopie de photoassociation et d'ionisation. Ces différentes études ont permis d'affiner notre compréhension des mécanismes de photoassociation d'atomes froids formant des molécules dans l'état fondamental triplet (a 3Σu+). Une détection non sélective a été développée, pour la recherche de mécanismes de formation de molécules froides dans l'état fondamental singulet avec peu de vibration. Avec cette nouvelle détection, un nouveau mécanisme de formation de molécules par photoassociation d'atomes froids de césium a été trouvé. Celui-ci permet de former efficacement des molécules dans une distribution de niveaux avec très peu de vibration dans l'état fondamental (X 1Σg+). En utilisant un laser femtoseconde (large spectralement) façonné, un refroidissement vibrationnel des molécules a été démontré, permettant la formation de molécules froides sans vibrations. Le laser femtoseconde, permet d'exciter les nombreux niveaux vibrationnels, créés par photoassociation, il réalise ainsi un pompage optique des molécules. Le laser est façonné de manière à rendre l'état de vibration zéro, noir pour ce laser, et ainsi accumuler toutes les molécules vers ce seul état. Ce résultat est également simulé par un model théorique simple. Cette simulation permet de généraliser l'idée au refroidissement de la rotation des molécules. Une partie (résumée) présente, en s'appuyant sur les différents articles publiés, les études sur les interactions dipôle-dipôle, à grandes portées, entre atomes de Rydberg.
Cette thèse traite de l'étude des molécules froides formées via la technique de photoassociation d'atomes froids. Cette étude porte sur la manipulation des degrés de libertés externes de la molécules, et sur l'étude des interactions internes à la molécule Cs2. Un piège quadrupolaire magnétique de 2.10^5 molécules Cs2 froides a été réalisé. Le temps de vie du piège moléculaire est de 600ms, limité par les collisions avec le gaz chaud résiduel. Les molécules piégées ont été caractérisées, ce qui a permis de déterminer la température du nuage de molécules piégé, de l'ordre de 35uK. La mise en place d'un piège dipolaire, réalisé au moyen d'un laser CO2 focalisé est également décrit. D'autre part, une spectroscopie de photoassociation à deux photons a été réalisée. Elle a permis l'étude originale des formes de raies de cette spectroscopie, présentant de typiques profils de Fano. Grâce à la connaissance précise de ces formes de raies, plus d'une centaine d'énergies de niveaux vibrationnellement très excités de la molécules de Cs2 sont mesurés, avec une précision de l'ordre de 10MHz. Lors de l'interprétation théorique, l'énorme structure hyperfine de l'atome de césium implique la résolution d'équation de Schrödinger couplées pour des distances internucléaires supérieures à 15a0. Un modèle théorique asymptotique est donc utilisé pour ajuster les paramètres moléculaires des potentiels fondamentaux de la molécules de Cs2. Les ajustements de ces paramètres se font au moyen d'algorithmes évolutionnaires et déterministes et sont suivis d'une étude statistique approfondie. On détermine ainsi le coefficient de Van der Waals avec une excellente précision, ainsi que pour la première fois l'amplitude de l'interaction d'échange de manière expérimentale.