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

José Viana‐Gomes, José Carlos

Published Jan 1, 2007• 0 citations

Abstract

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.

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En 2001, la condensation de Bose-Einstein (CBE) a été obtenue sur un gaz d'hélium métastable (He*). L'état métastable a un temps de vie de 9000 sec et une énergie interne de 20 eV. Cette énergie peut être utilisée pour détecter ces atomes avec une galette de micro-canaux. La très bonne réponse temporelle et le fort gain de ce détecteur ont permis une expérience de corrélation de densité similaire à celle de R. Twiss et R. Hanbury Brown (HBT) en optique. D autre part, les collisions non élastiques dans l échantillon d'He* produisent un flux d ions, faible mais détectable, proportionnel à la densité du nuage. Ce flux permet de suivre la densité atomique vers la CBE, passant par la transition de phase, en temps réel et de manière non invasive.Dans cette thèse nous rendons compte de trois expériences différentes : i) la détermination des constantes d ionisation à deux et trois corps pour l He*, ii) la détermination de la longueur de diffusion, a, de l He* et iii) la mesure de la fonction de corrélation d intensité d un nuage d'He* en chute libre. Il a été montré postérieurement à notre mesure de a que celle-ci était entachée d'une erreur systématique dont nous proposons une explication. Nous décrivons des techniques de mesure de la température et de la fugacité d'un nuage thermique. Finalement un part importante de la thèse est dévolue à la dérivation d une expression analytique de la fonction de corrélation d'intensité du flux atomique. Cette analyse a permis d obtenir des valeurs typiques pour les longueurs de corrélation, transverse et longitudinale, et de confirmer la possibilité de réaliser une expérience de type HBT sur notre montage expérimental.

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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.

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