Realization of a Bose-Einstein condensate of metastable helium atoms

Cette thèse présente la première réalisation expérimentale d'un condensat de Bose-Einstein d'hélium métastable. L'énergie interne de 20 eV des atomes d'hélium métastable permet l'utilisation d'un système détection électronique des atomes, très rapide et efficace. Ce manuscrit décrit la démarche expérimentale adoptée pour parvenir à la condensation, à partir du transfert dans le piége magnétique du nuage atomique prérefroidi. Des études du champ magnétique de piégeage, en particulier de la décroissance du champ à la coupure du piège, sont réalisées in situ en venant sonder directement les atomes. Des mesures de spectroscopie du piège magnétique sont également effectuées afin de tester l'équilibre des atomes dans le piège. Pour initier ensuite un refroidissement évaporatif efficace, il faut un taux de collisions élastiques entre atomes piégés suffisamment élevé. Ne disposant pas de donnée expérimentale suffisante pour connaître la valeur de ce taux de collisions, nous avons effectué des mesures de thermalisation sur l'échantillon atomique. Celles-ci consistent à placer le nuage piégé hors-équilibre, puis à regarder la dynamique de relaxation vers un nouvel équilibre, atteint sous l'influence des collisions entre atomes piégés. La modélisation de ces expériences permet de remonter, à partir des résultats expérimentaux, au taux de collisions élastiques. La valeur déduite nous a encouragés à poursuivre le refroidissement évaporatif du nuage atomique, aboutissant finalement à la formation d'un condensat de Bose-Einstein. L'allure des signaux expérimentaux observés, influencés par la coupure des champs magnétiques, est expliquée. L'exploitation de ces signaux permet de déduire une valeur de la longueur de diffusion. La visualisation du signal d'ions produits par le condensat constitue une méthode d'observation non-destructive du condensat, donnant accès à sa cinétique de formation.Cette thèse présente la première réalisation expérimentale d'un condensat de Bose-Einstein d'hélium métastable. L'énergie interne de 20 eV des atomes d'hélium métastable permet l'utilisation d'un système détection électronique des atomes, très rapide et efficace. Ce manuscrit décrit la démarche expérimentale adoptée pour parvenir à la condensation, à partir du transfert dans le piége magnétique du nuage atomique prérefroidi. Des études du champ magnétique de piégeage, en particulier de la décroissance du champ à la coupure du piège, sont réalisées in situ en venant sonder directement les atomes. Des mesures de spectroscopie du piège magnétique sont également effectuées afin de tester l'équilibre des atomes dans le piège. Pour initier ensuite un refroidissement évaporatif efficace, il faut un taux de collisions élastiques entre atomes piégés suffisamment élevé. Ne disposant pas de donnée expérimentale suffisante pour connaître la valeur de ce taux de collisions, nous avons effectué des mesures de thermalisation sur l'échantillon atomique. Celles-ci consistent à placer le nuage piégé hors-équilibre, puis à regarder la dynamique de relaxation vers un nouvel équilibre, atteint sous l'influence des collisions entre atomes piégés. La modélisation de ces expériences permet de remonter, à partir des résultats expérimentaux, au taux de collisions élastiques. La valeur déduite nous a encouragés à poursuivre le refroidissement évaporatif du nuage atomique, aboutissant finalement à la formation d'un condensat de Bose-Einstein. L'allure des signaux expérimentaux observés, influencés par la coupure des champs magnétiques, est expliquée. L'exploitation de ces signaux permet de déduire une valeur de la longueur de diffusion. La visualisation du signal d'ions produits par le condensat constitue une méthode d'observation non-destructive du condensat, donnant accès à sa cinétique de formation.

Dec 6, 20010 citations

Condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable

Franck Pereira dos Santos

Nous presentons dans ce memoire la realisation experimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable $2^3S_1$ polarise. Nous commencons par y resumer les predictions theoriques concernant les taux de collisions elastiques et inelastiques entre atomes metastables polarises. Ce sont sur ces predictions tres encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable. Nous presentons ensuite le dispositif experimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisee consiste a pre-refroidir un echantillon de gaz dans un piege magneto-optique, que l'on charge a partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densite dans le piege magneto-optique est limitee par de tres forts taux de collisions inelastiques assistees par la lumiere, que nous avons mesures pour une large gamme de parametres de piegeage. Le gaz piege est ensuite transfere dans un piege magnetostatique ou il est refroidi par la technique du refroidissement evaporatif jusqu'au seuil de degenerescence quantique. Nous avons mesure des temps de vie des atomes dans le piege magnetique de l'ordre de la minute, ce qui demontre que les collisions inelastiques sont supprimees par au moins deux ordres de grandeur des lors que les atomes sont polarises. A l'aide d'une methode de detection purement optique, basee sur l'absorption d'un faisceau laser resonnant a la traversee du nuage atomique, nous avons pu mettre en evidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons deduit une estimation de la longueur de diffusion, $a=(16\pm8)$ nm.Nous presentons dans ce memoire la realisation experimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable $2^3S_1$ polarise. Nous commencons par y resumer les predictions theoriques concernant les taux de collisions elastiques et inelastiques entre atomes metastables polarises. Ce sont sur ces predictions tres encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable. Nous presentons ensuite le dispositif experimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisee consiste a pre-refroidir un echantillon de gaz dans un piege magneto-optique, que l'on charge a partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densite dans le piege magneto-optique est limitee par de tres forts taux de collisions inelastiques assistees par la lumiere, que nous avons mesures pour une large gamme de parametres de piegeage. Le gaz piege est ensuite transfere dans un piege magnetostatique ou il est refroidi par la technique du refroidissement evaporatif jusqu'au seuil de degenerescence quantique. Nous avons mesure des temps de vie des atomes dans le piege magnetique de l'ordre de la minute, ce qui demontre que les collisions inelastiques sont supprimees par au moins deux ordres de grandeur des lors que les atomes sont polarises. A l'aide d'une methode de detection purement optique, basee sur l'absorption d'un faisceau laser resonnant a la traversee du nuage atomique, nous avons pu mettre en evidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons deduit une estimation de la longueur de diffusion, $a=(16\pm8)$ nm.

Jan 1, 20021 citation

Condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable

Franck Pereira dos Santos

Nous présentons dans ce mémoire la réalisation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable $2^3S_1$ polarisé. Nous commençons par y résumer les prédictions théoriques concernant les taux de collisions élastiques et inélastiques entre atomes métastables polarisés. Ce sont sur ces prédictions très encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Nous présentons ensuite le dispositif expérimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisée consiste à pré-refroidir un échantillon de gaz dans un piège magnéto-optique, que l'on charge à partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densité dans le piège magnéto-optique est limitée par de très forts taux de collisions inélastiques assistées par la lumière, que nous avons mesurés pour une large gamme de paramètres de piégeage. Le gaz piégé est ensuite transféré dans un piège magnétostatique où il est refroidi par la technique du refroidissement évaporatif jusqu'au seuil de dégénérescence quantique. Nous avons mesuré des temps de vie des atomes dans le piège magnétique de l'ordre de la minute, ce qui démontre que les collisions inélastiques sont supprimées par au moins deux ordres de grandeur dès lors que les atomes sont polarisés. A l'aide d'une méthode de détection purement optique, basée sur l'absorption d'un faisceau laser résonnant à la traversée du nuage atomique, nous avons pu mettre en évidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons déduit une estimation de la longueur de diffusion, $a=(16\pm8)$ nm.Nous présentons dans ce mémoire la réalisation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable $2^3S_1$ polarisé. Nous commençons par y résumer les prédictions théoriques concernant les taux de collisions élastiques et inélastiques entre atomes métastables polarisés. Ce sont sur ces prédictions très encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Nous présentons ensuite le dispositif expérimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisée consiste à pré-refroidir un échantillon de gaz dans un piège magnéto-optique, que l'on charge à partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densité dans le piège magnéto-optique est limitée par de très forts taux de collisions inélastiques assistées par la lumière, que nous avons mesurés pour une large gamme de paramètres de piégeage. Le gaz piégé est ensuite transféré dans un piège magnétostatique où il est refroidi par la technique du refroidissement évaporatif jusqu'au seuil de dégénérescence quantique. Nous avons mesuré des temps de vie des atomes dans le piège magnétique de l'ordre de la minute, ce qui démontre que les collisions inélastiques sont supprimées par au moins deux ordres de grandeur dès lors que les atomes sont polarisés. A l'aide d'une méthode de détection purement optique, basée sur l'absorption d'un faisceau laser résonnant à la traversée du nuage atomique, nous avons pu mettre en évidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons déduit une estimation de la longueur de diffusion, $a=(16\pm8)$ nm.

Jan 17, 20020 citations

Collisions dans un gaz d'hélium métastable au voisinage de la dégénérescence quantique

Signe Louise Seidelin

Cette thèse présente des résultats obtenues par des méthodes originales sur les nuages d'atomes ultra-froids au voisinage de la condensation de Bose-Einstein. Les atomes qui constituent les nuages utilisés dans ces expériences sont particuliers du fait de leur métastabilité. Plus précisément, ce sont des atomes d'hélium métastable. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon efficace par une galette de micro-canaux. L'utilisation de l'hélium métastable pour l'étude de la dégénérescence quantique est également particulière du fait de la présence de collisions ionisantes au sein de l'échantillon atomique. Les ions He+ créés lors d'une collision inélastique peuvent être détectés "en temps réel", ce qui constitue un diagnostic nouveau et intéressant. En particulier, il est possible d'identifier très précisément le seuil de condensation de Bose-Einstein, c'est-à-dire le moment où commencent à s'accumuler les atomes dans l'état quantique fondamental. L'avantage d'utiliser le taux d'ions comme outil d'observation est sa nature "non-invasive". Contrairement à la technique d'observation habituelle qui exige que les atomes soient lâchés du piège pour permettre leur observation, la mesure du taux d'ions produits par l'échantillon ne change en rien le comportement naturel du nuage. En utilisant cette méthode de diagnostic inhabituelle, une mesure des paramètres collisionnels régissant le comportement du nuage a été obtenue : constantes de collisions ionisantes et longueur de diffusion de l'atome d'hélium métastable.Cette thèse présente des résultats obtenues par des méthodes originales sur les nuages d'atomes ultra-froids au voisinage de la condensation de Bose-Einstein. Les atomes qui constituent les nuages utilisés dans ces expériences sont particuliers du fait de leur métastabilité. Plus précisément, ce sont des atomes d'hélium métastable. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon efficace par une galette de micro-canaux. L'utilisation de l'hélium métastable pour l'étude de la dégénérescence quantique est également particulière du fait de la présence de collisions ionisantes au sein de l'échantillon atomique. Les ions He+ créés lors d'une collision inélastique peuvent être détectés "en temps réel", ce qui constitue un diagnostic nouveau et intéressant. En particulier, il est possible d'identifier très précisément le seuil de condensation de Bose-Einstein, c'est-à-dire le moment où commencent à s'accumuler les atomes dans l'état quantique fondamental. L'avantage d'utiliser le taux d'ions comme outil d'observation est sa nature "non-invasive". Contrairement à la technique d'observation habituelle qui exige que les atomes soient lâchés du piège pour permettre leur observation, la mesure du taux d'ions produits par l'échantillon ne change en rien le comportement naturel du nuage. En utilisant cette méthode de diagnostic inhabituelle, une mesure des paramètres collisionnels régissant le comportement du nuage a été obtenue : constantes de collisions ionisantes et longueur de diffusion de l'atome d'hélium métastable.

Jan 1, 20040 citations

Collisions ionisantes : un nouveau diagnostic pour les condensats de Bose-Einstein d'hélium métastable

O. Sirjean

L'hélium métastable (23S1) est à ce jour le seul élément qui n'est pas dans son état électronique fondamental pour lequel la condensation de Bose-Einstein a été obtenue. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon rapide et efficace par une galette de micro-canaux (MCP). De plus, cette énergie est responsable de collisions ionisantes au sein de l'échantillon piégé magnétiquement (ionisation Penning). Les ions ainsi formés sont également détectés par le MCP. Une fois les caractéristiques du système de détection déterminées, et la démarche expérimentale permettant de produire des condensats de Bose-Einstein détaillée, cette thèse présente les études réalisées pour déterminer l'origine des ions produits ainsi que certaines des nouvelles possibilités qu'offre le signal d'ions. Pour des échantillons de densité suffisamment faible, les ions proviennent majoritairement des collisions avec le gaz résiduel, et le signal est alors proportionnel au nombre d'atomes piégés. Pour des échantillons de densité suffisamment élevée, comme ceux obtenus proches du seuil de condensation, les ions proviennent majoritairement de collisions à deux corps et à trois corps. Le signal d'ions dépend alors également de la densité de l'échantillon. Suivant la gamme de densité, ce signal nous fournit donc une mesure " non-perturbative " en temps réel de ces différentes grandeurs. Nous avons notamment pu montrer qu'il était un précieux indicateur du moment où se produit la condensation, car il rend compte de la brusque augmentation de densité qui se produit alors. En étudiant le taux d'ions en fonction de la densité et du nombre d'atomes de condensats purs et de nuages thermiques au seuil de condensation, nous avons mesuré pour la première fois les constantes de collisions de ces processus d'ionisation. Les résultats trouvés sont en accord avec les prédictions théoriques.L'hélium métastable (23S1) est à ce jour le seul élément qui n'est pas dans son état électronique fondamental pour lequel la condensation de Bose-Einstein a été obtenue. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon rapide et efficace par une galette de micro-canaux (MCP). De plus, cette énergie est responsable de collisions ionisantes au sein de l'échantillon piégé magnétiquement (ionisation Penning). Les ions ainsi formés sont également détectés par le MCP. Une fois les caractéristiques du système de détection déterminées, et la démarche expérimentale permettant de produire des condensats de Bose-Einstein détaillée, cette thèse présente les études réalisées pour déterminer l'origine des ions produits ainsi que certaines des nouvelles possibilités qu'offre le signal d'ions. Pour des échantillons de densité suffisamment faible, les ions proviennent majoritairement des collisions avec le gaz résiduel, et le signal est alors proportionnel au nombre d'atomes piégés. Pour des échantillons de densité suffisamment élevée, comme ceux obtenus proches du seuil de condensation, les ions proviennent majoritairement de collisions à deux corps et à trois corps. Le signal d'ions dépend alors également de la densité de l'échantillon. Suivant la gamme de densité, ce signal nous fournit donc une mesure " non-perturbative " en temps réel de ces différentes grandeurs. Nous avons notamment pu montrer qu'il était un précieux indicateur du moment où se produit la condensation, car il rend compte de la brusque augmentation de densité qui se produit alors. En étudiant le taux d'ions en fonction de la densité et du nombre d'atomes de condensats purs et de nuages thermiques au seuil de condensation, nous avons mesuré pour la première fois les constantes de collisions de ces processus d'ionisation. Les résultats trouvés sont en accord avec les prédictions théoriques.

Jun 27, 20030 citations

investigation of the momentum distribution of Bose-Einstein condensates of metastable Helium

Quentin Bouton

Ce travail de thèse décrit la première observation directe de particules associées à la déplétion quantique et de premières mesures dans l’espace des impulsions d’un superfluide sur réseau. Ces observations ont été réalisées à partir d'un gaz dégénéré d'Hélium métastable sur un tout nouvel dispositif expérimental, dont la construction a été terminée au cours de cette thèse. Permise par l’Hélium métastable, notre détection électronique sensible à l’atome unique donne accès à la distribution tridimensionnelle dans l’espace des impulsions k.Nous avons d’abord développé une approche hybride pour la réalisation de condensats de Bose-Einstein, qui utilise un piège magnétique comme réservoir du piège dipolaire. Cette méthode permet la production rapide de condensats de Bose-Einstein toutes les 6 secondes sur notre expérience. Nous avons alors pu observer, pour la première fois, les particules excitées hors du condensat à cause des interactions (déplétion quantique). En particulier, nous avons observé la loi de puissance en 1/k4 dans la distribution pour de larges impulsions k, comme attendue dans la théorie de Bogoliubov. Enfin nous avons étudié les distributions de superfluide sur réseau. Il s’agit d’une première mesure de la distribution en impulsion dans un réseau comme le démontre les simulations numériques (Monte-Carlo quantique). Les effets de températures sur les distributions mesurées sont extrêmement visibles, ce qui ouvre la voie à une thermométrie des superfluides sur réseau.Ce travail de thèse décrit la première observation directe de particules associées à la déplétion quantique et de premières mesures dans l’espace des impulsions d’un superfluide sur réseau. Ces observations ont été réalisées à partir d'un gaz dégénéré d'Hélium métastable sur un tout nouvel dispositif expérimental, dont la construction a été terminée au cours de cette thèse. Permise par l’Hélium métastable, notre détection électronique sensible à l’atome unique donne accès à la distribution tridimensionnelle dans l’espace des impulsions k.Nous avons d’abord développé une approche hybride pour la réalisation de condensats de Bose-Einstein, qui utilise un piège magnétique comme réservoir du piège dipolaire. Cette méthode permet la production rapide de condensats de Bose-Einstein toutes les 6 secondes sur notre expérience. Nous avons alors pu observer, pour la première fois, les particules excitées hors du condensat à cause des interactions (déplétion quantique). En particulier, nous avons observé la loi de puissance en 1/k4 dans la distribution pour de larges impulsions k, comme attendue dans la théorie de Bogoliubov. Enfin nous avons étudié les distributions de superfluide sur réseau. Il s’agit d’une première mesure de la distribution en impulsion dans un réseau comme le démontre les simulations numériques (Monte-Carlo quantique). Les effets de températures sur les distributions mesurées sont extrêmement visibles, ce qui ouvre la voie à une thermométrie des superfluides sur réseau.

Nov 8, 20160 citations

Nous presentons dans ce memoire la realisation experimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable

2^3S_1

polarise. Nous commencons par y resumer les predictions theoriques concernant les taux de collisions elastiques et inelastiques entre atomes metastables polarises. Ce sont sur ces predictions tres encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable. Nous presentons ensuite le dispositif experimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisee consiste a pre-refroidir un echantillon de gaz dans un piege magneto-optique, que l'on charge a partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densite dans le piege magneto-optique est limitee par de tres forts taux de collisions inelastiques assistees par la lumiere, que nous avons mesures pour une large gamme de parametres de piegeage. Le gaz piege est ensuite transfere dans un piege magnetostatique ou il est refroidi par la technique du refroidissement evaporatif jusqu'au seuil de degenerescence quantique. Nous avons mesure des temps de vie des atomes dans le piege magnetique de l'ordre de la minute, ce qui demontre que les collisions inelastiques sont supprimees par au moins deux ordres de grandeur des lors que les atomes sont polarises. A l'aide d'une methode de detection purement optique, basee sur l'absorption d'un faisceau laser resonnant a la traversee du nuage atomique, nous avons pu mettre en evidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons deduit une estimation de la longueur de diffusion,

a=(16\pm8)

nm.

Nous présentons dans ce mémoire la réalisation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable

2^3S_1

polarisé. Nous commençons par y résumer les prédictions théoriques concernant les taux de collisions élastiques et inélastiques entre atomes métastables polarisés. Ce sont sur ces prédictions très encourageantes que reposait l'espoir d'atteindre la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Nous présentons ensuite le dispositif expérimental que nous avons construit. La technique que nous avons utilisée consiste à pré-refroidir un échantillon de gaz dans un piège magnéto-optique, que l'on charge à partir d'un jet atomique intense et ralenti. La densité dans le piège magnéto-optique est limitée par de très forts taux de collisions inélastiques assistées par la lumière, que nous avons mesurés pour une large gamme de paramètres de piégeage. Le gaz piégé est ensuite transféré dans un piège magnétostatique où il est refroidi par la technique du refroidissement évaporatif jusqu'au seuil de dégénérescence quantique. Nous avons mesuré des temps de vie des atomes dans le piège magnétique de l'ordre de la minute, ce qui démontre que les collisions inélastiques sont supprimées par au moins deux ordres de grandeur dès lors que les atomes sont polarisés. A l'aide d'une méthode de détection purement optique, basée sur l'absorption d'un faisceau laser résonnant à la traversée du nuage atomique, nous avons pu mettre en évidence la condensation de Bose-Einstein. Finalement, des mesures du nombre d'atomes et de la taille du condensat, nous avons déduit une estimation de la longueur de diffusion,

a=(16\pm8)

nm.