En 1916-17, Einstein étudie comment un rayonnement de type corps noir peut imposer sa température à une collection d'atomes.À partir des trois processus d'absorption, d'émission dirigée et d'émission spontanée, il montre que la lumière crée une force de friction sur un atome en mouvement.En utilisant ensuite des arguments empruntés à la théorie du mouvement brownien, il explique comment l'assemblée atomique atteint le même état d'équilibre thermique que le corps noir de départ.Près de soixante ans après le travail d'Einstein, les physiciens Hänsch et Schawlow d'une part, Wineland et Dehmelt d'autre part, ont proposé d'exploiter la lumière des lasers accordables pour créer de nouveaux équilibres thermodynamiques, avec un processus de refroidissement étonnamment proche du mécanisme envisagé par Einstein.Cela a constitué le point de départ d'un nouveau domaine de la physique quantique, l'étude de gaz d'atomes refroidis à une température située dans le domaine du microkelvin.
En 1916-17, Einstein étudie comment un rayonnement de type corps noir peut imposer sa température à une collection d'atomes.À partir des trois processus d'absorption, d'émission dirigée et d'émission spontanée, il montre que la lumière crée une force de friction sur un atome en mouvement.En utilisant ensuite des arguments empruntés à la théorie du mouvement brownien, il explique comment l'assemblée atomique atteint le même état d'équilibre thermique que le corps noir de départ.Près de soixante ans après le travail d'Einstein, les physiciens Hänsch et Schawlow d'une part, Wineland et Dehmelt d'autre part, ont proposé d'exploiter la lumière des lasers accordables pour créer de nouveaux équilibres thermodynamiques, avec un processus de refroidissement étonnamment proche du mécanisme envisagé par Einstein.Cela a constitué le point de départ d'un nouveau domaine de la physique quantique, l'étude de gaz d'atomes refroidis à une température située dans le domaine du microkelvin.
REE N°4/2012 ◗ 57 les atomes froids Saida Guellati-Khelifa (1,2) Pierre Clade (1) (1) Laboratoire Kastler Brossel, Ecole normale superieure, Universite Pierre et Marie Curie (2) Conservatoire national des arts et metiers Refroidir des atomes sans creer un solide La physique atomique est nee au XXe de l’etude du spectre des gaz atomiques. C’est en observant l’emission ou l’absorption de la lumiere par un gaz que l’on a compris la structure atomique et ensuite elabore les premieres theories de la mecanique quantique. Le fait que les atomes soient en phase gazeuse est impor- tant car dans cet etat ils sont quasiment isoles les uns des autres et peuvent donc etre compris individuelle- ment. Cependant, dans un gaz, l’agitation thermique pose probleme. A temperature ambiante, la vitesse ty- pique d’un atome peut atteindre 1 km/s. L’observation d’un meme atome est donc limitee dans la duree ce qui limite la precision sur les mesures. De plus, il n’est pas possible d’utiliser les techniques de cryogenie car a faible temperature tous les corps sont en phase solide ou liquide. C’est pour repondre a ce probleme, ralentir des atomes tout
Ce travail est consacré à l'étude de la modification de la dynamique d'un atome induite par le couplage de cet atome avec le rayonnement. Nous commençons par étudier la dynamique atomique interne, et nous montrons qu'il est possible de séparer, pour les différents processus radiatifs (émission spontanée, déplacement de Lamb, ...), la contribution des fluctuations du vide et de la réaction de rayonnement. Nous étudions ensuite la dynamique externe de l'atome dans une onde électromagnétique. Partant de l'analogie profonde entre ce problème et celui du mouvement Brownien, nous montrons qu'il est possible d'établir, pour l'évolution de la fonction de Wigner atomique, une équation de Fokker-Planck-Kramers. Les différents termes de cette équation, force stationnaire, force de friction, coefficient de diffusion de l'impulsion atomique, sont interprétés physiquement en termes de processus d'absorption et d'émission (stimulée ou spontanée) de photons par l'atome. Le cas particulier du mouvement atomique dans une onde laser stationnaire intense est étudié en détail, et nous montrons, théoriquement et expérimentalement, qu'un tel système peut conduire à un refroidissement très efficace des atomes. Nous abordons enfin le problème du piégeage radiatif d'atomes neutres, et nous présentons plusieurs propositions originales pour confiner de manière stable des atomes à l'aide de faisceaux laser.
Les techniques de refroidissement d'atomes par laser dans les mélasses optiques conduisent à des "températures" minimales de quelques microkelvins. Dans ce régime ultra-froid, le mouvement des atomes n'est plus descriptible en termes d'une force de friction visqueuse et d'une diffusion en impulsion. Pour obtenir les limites du refroidissement, nous avons donc développé de nouvelles approches, dont la plus fructueuse traite quantiquement le mouvement atomique dans le potentiel créé par la lumière. Les mélasses sont étudiées pour les deux configurations laser modèles à une dimension, σ+ — σ- et Ox — Oy. Les atomes ont alors une impulsion quadratique moyenne minimale d'environ 6\hbar k, où \hbar k est la quantité de mouvement d'un photon laser.
L'objet de cette thèse est l'étude de deux applications des atomes refroidis par laser. La première porte sur la production d'atomes refroidis à quelques microKelvins en microgravité. Un allongement considérable du temps de séjour des atomes dans un volume réduit a été ainsi démontré. La deuxième, plus fondamentale, met à profit les méthodes de l'optique non-linéaire pour étudier les mécanismes de refroidissement eux-mêmes. Les signaux de spectroscopies Raman et Rayleigh stimulées donnent accès à une mesure directe de la force subie par un atome dans une mélasse en "tire-bouchon"à une dimension. Ils permettent aussi, dans le cas des mélasses "Sisyphe"(à une, deux ou trois dimensions), la mise en évidence de la localisation des atomes au fond des puits du potentiel créé par la lumière. Ces derniers étant situés sur un réseau bien ordonné, l'image du milieu visqueux créé par les photons laser cède la place à l'image d'un cristal optique induit par la lumière.
Les atomes ultrafroids constituent depuis une vingtaine d’années un domaine fructueux pour l’étude de la physique à N corps. Cependant l’inhomogénéité des nuages atomiques, induite par les méthodes de piégeage utilisées habituellement, constitue une limite pour les études portant sur de grandes échelles de longueur. Nous reportons ici la mise en place d’un nouveau dispositif expérimental, combinant un potentiel modulable à bords raides et fond plat dans le plan atomique, avec un confinement versatile dans la troisième direction. Nous nous intéressons à différentes excitations du système, premièrement des degrés de liberté internes des atomes via leur interaction avec la lumière, puis deuxièmement de leur mouvement collectif avec la propagation de phonons. La répartition des atomes dans un plan est particulièrement adaptée aux études de diffusion de la lumière. Elle permet en effet de sonder de fortes densités atomiques, entraînant de fortes interactions dipôle-dipôle induites, tout en gardant un signal transmis suffisant pour effectuer des mesures. Nous avons mesuré la déviation au comportement d’un atome isolé pour de la lumière proche de résonance lorsque la densité atomique est modifiée. Nous avons également étudié la diffusion de photons dans un disque d’atomes en injectant de la lumière seulement au centre du disque. Nous nous sommes ensuite intéressés aux excitations collectives du gaz. Nous avons mesuré la vitesse du son dans le milieu, qui est liée à la fraction superfluide du système, et comparé nos résultats aux prédictions d’un modèle hydrodynamique à deux fluides. En utilisant une géométrie adaptée, nous avons en outre étudié la dynamique de retour à l’équilibre d’un système isolé, en imageant la phase du condensat de Bose-Einstein résultant de la fusion de jusqu’à douze condensats.
Cette thèse étudie la faisabilité d'une mesure qui vise à vérifier quantitativement un effet quantique. La mesure est proposée pour un gaz d'hélium métastable refroidi dans la gamme du microkelvin. Il est connu que les atomes obéissent à une statistique quantique qui, si les atomes sont des bosons, est similaire à celle des photons. L'effet de groupement de bosons en est une conséquence: sur un détecteur, les bosons arrivent préférentiellement groupés. On le met en évidence en mesurant la probabilité de détection d'un boson dans une fenêtre de temps, retardée par rapport à l'arrivée d'un premier boson. Ceci nous donne la fonction de corrélation du flux de particules. Ce signal a été observé avec des photons. Il doit pouvoir l'être avec des atomes : c'est précisément ce que ce travail démontre. On étudie donc la réalisation expérimentale d'une mesure de groupement de bosons, effectuée sur des atomes d'hélium métastable refroidis au voisinage de la température de transition (vers le condensat de Bose-Einstein). Pour ce faire, nous partons d'un dispositif expérimental qui a montré la condensation de l'hélium métastable. On prévoit quantitativement comment l'effet se manifeste sur un tel montage. On justifie notamment que le signal est observable après temps de vol des atomes, et on prédit sa forme dans le cas d'atomes condensés ou non : la fonction de corrélation s'aplatit quand les atomes se condensent. On présente ensuite le détecteur utilisé : c'est un système de comptage d'atomes sensible en position et très bien résolu en temps, à base de lignes à retard. On décrit enfin le travail expérimental sur le montage, travail qui a permis d'aboutir à la mesure de l'effet de groupement.