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Photoniques

Spectroscopie haute résolution : l’apport des ions piégés refroidis par laser

Luca Guidoni, M. Houssin, Jean‐Philippe Karr

Published Jan 1, 2023• 0 citations
Publisher

Abstract

Un ion unique piégé et refroidi par laser est un système quantique isolé quasi-idéal pour des études spectroscopiques de haute précision avec de nombreuses applications en métrologie et physique fondamentale. Le confinement d’un ensemble d’ions dans des configurations contrôlées et le développement de techniques d’interrogation toujours plus sophistiquées, utilisant notamment la logique quantique, offrent de nouvelles ouvertures pour continuer cette quête à la précision ultime.

DOI
10.1051/photon/202312147

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•Oct 12, 2010•0 citations

Contrôle de l’organisation spatiale d’ions refroidis par laser au sein d’un piège radio-fréquence, de géométrie octupolaire linéaire

Kissangou, Roxen, Wilby

Cette thèse étudie une nouvelle configuration de piège radiofréquence linéairemultipolaire qui peut avoir des applications dans le développement des horlogesmicro-onde à ions, avantageuses pour leur stabilité à long terme, ou la génération destructures géométriques contrôlées pour les simulations quantiques. L’équipe CIML aconstruit un piège double dont la partie quadrupolaire est destinée à la création desions et à leur spectroscopie laser et dont la partie octupolaire sert à évaluer les facteurslimitant la stabilité des horloges micro-onde à ions. Les premières observations enoctupole ont mis en évidence la grande sensibilité du potentiel de confinement à lasymétrie de la géométrie, et la formation de minima locaux de potentiel responsablesd’une organisation non contrôlée des ions dans le piège. Cette thèse présente la miseen œuvre expérimentale du dispositif électronique développé pour compenser desdéfauts géométriques, par l’application de tensions radiofréquences différentes surchaque électrode du piège octupolaire. Pour cela, le protocole de transport des ions,du quadrupole vers l’octupole, a été adapté à la nouvelle géométrie du piège. Ensuite,nous avons observé l’organisation des ions refroidis par laser dans un octupole noncompensé avant d’exploiter le dispositif de compensation pour façonner un potentielquasi-quadrupolaire qui nous a permis d’estimer le nombre d’ions en octupole, quiatteint 1500. Ce dispositif est aussi utilisé pour créer un potentiel de confinement à lamorphologie contrôlée dont le diagnostic est basé sur les images de la fluorescencedes ions refroidis par laser, pour différentes températures des ions. Bien que nousn’ayons pas pu démontrer la compensation des défauts, les résultats montrent qu’ilest possible de créer et de manipuler de manière contrôlée les minima locaux depotentiel, ce qui pourra fournir une ressource future pour l’information quantique.

•Mar 12, 2026•0 citations

Des atomes chargés et des photons : quelques phénomènes observables en piège radiofréquence

C. Champenois

Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre $10^7$ ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.

•Jun 22, 2010•0 citations

Confinement d'un ion unique de Ca+ pour la métrologie des fréquences optiques

Martina Knoop

Le présent rapport résume mon travail de recherche sur l'ion Ca+ effectué au cours de la dernière décennie. Les travaux préliminaires effectués dans un piège de Paul classique sont brièvement revus. Il s'agit notamment des mesures de durées de vie dans un nuage d'ions chauds ainsi qu'une étude des effets collisionnels pouvant réduire la durée de vie du doublet métastable 3D. Un piège miniature a ensuite été monté pour permettre l'accès au régime de Lamb-Dicke avec un ion unique. Ce piège a d'abord été caractérisé, avant d'entrer dans une phase d'optimisation du refroidissement laser et de la réduction du nombre des particules. L'observation des sauts quantiques d'un ion unique a servi à la mesure des durées de vie du niveau métastable, préparation pour l'interrogation de la transition d'horloge dans des conditions bien contrôlées. La réduction du micromouvement "excessif" a été abordée par différentes techniques, notamment par l'observation des résonances noires en variant la géométrie des faisceaux lasers. Les travaux en cours sur l'observation du spectre de bandes latérales du mouvement d'un ion unique sur la transition d'horloge sont discutés. L'étude théorique des effets systématiques prépare les conditions expérimentales nécessaires pour la métrologie des fréquences.

•Mar 31, 2005•0 citations

Piégeage et refroidissement laser d'ions calcium pour un étalon de fréquence optique

Mustapha Said Herbane

Ce travail porte sur le piegeage et le refroidissement laser d'ions calcium en vue d'application en metrologie des frequences. L'ion calcium possede une transition quadripolaire electrique a 729 nm de facteur de qualite superieur a 10[15] qui en fait un excellent candidat pour un etalon de frequence dans le domaine des longueurs d'onde du visible. Les ions sont confines dans un piege radiofrequence de Paul-Straubel et sont detectes par la lumiere de fluorescence qu'ils emettent lorsqu'ils sont refroidis par laser. L'etude des proprietes spectrales de leur mouvement est faite par application au piege d'une petite tension alternative. Les frequences d'oscillation des ions sont clairement visibles et leur relation avec la tension de confinement peut etre obtenue. La variation des tensions continue et alternative de confinement permet de decrire le diagramme de stabilite du piege reel. Les lasers de l'experience doivent avoir des frequences stables pendant plusieurs heures. Pour l'un deux, cela est realise en l'injectant dans une cavite Fabry-Perot en meme temps qu'un laser a 852 nm stabilise en frequence sur le cesium par une technique d'absorption saturee. La cavite permet le transfert de la stabilite de ce dernier laser vers le laser de l'experience. Le chauffage par laser d'un nuage ionique et la diminution progressive de la profondeur du puits de potentiel de confinement permettent d'ejecter tous les ions et ne garder qu'un seul. Il est alors place au centre du potentiel de confinement par application de tensions continues sur les electrodes de compensation. Ceci reduit son micromouvement. L'efficacite de l'operation est observee par la technique de correlation de champ RF-photon.

•Jan 1, 2002•0 citations
Un ion unique piégé et refroidi par laser est un système quantique isolé quasi-idéal pour des études spectroscopiques de haute précision avec de nombreuses applications en métrologie et physique fondamentale. Le confinement d’un ensemble d’ions dans des configurations contrôlées et le développement de techniques d’interrogation toujours plus sophistiquées, utilisant notamment la logique quantique, offrent de nouvelles ouvertures pour continuer cette quête à la précision ultime.
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Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui cherche à tirer parti des lois de la mécanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence et refroidis par laser. Une étude théorique a permis de proposer un protocole original d'échange d'état intriqués sur de longues distances, utilisant des ions piégés. L'étude de la miniaturisation des dispositifs de piégeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la compréhension de l'effet des défauts des électrodes sur un ion piégé : cette thèse propose un modèle analytique original permettant de calculer la loi d'échelle de l'effet des bruits électriques avec la taille du piège. Ce modèle servira à optimiser le protocole de fabrication de pièges miniatures, dont les premiers échantillons ont été réalisés et sont en cours de test sur un dispositif expérimental dédié (enceinte à vide, électronique de contrôle et sources laser de refroidissement). Les premiers résultats prometteurs ont permis de démontrer le piégeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piège de Paul linéaire macroscopique.
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