Développement d'un piège atomique lumineux et magnétique : Etude du régime de collisions ; Perspectives pour la condensation de Bose-Einstein du césium
Ce travail de thèse s'inscrit dans un effort de recherche entrepris depuis 1996 pour atteindre la condensation de Bose-Einstein (CBE) de l'atome de césium. Les expériences réalisées en 1996 en piège magnétique échouèrent à cause du taux de collisions inélastiques anormalement élevé pour cet atome. La solution consiste à piéger les atomes dans leur état fondamental. Ceci peut être réalisé dans un piège optique ou un piège mixte, magnétique et optique. En octobre 2002, l'équipe de R. Grimm est parvenue à la CBE du césium grâce au piégeage optique. La solution proposée dans ce manuscrit combine un piégeage magnétique vertical, et un piégeage optique transverse réalisé par un faisceau Nd :YAG. La mise en place du piège mixte a été achevée, et certaines de ses caractéristiques ont été dégagées. Ainsi la durée de vie de 4 s représente la limitation actuelle du piège et est discutée à partir de diverses hypothèses. Le régime collisionnel est aussi analysé à partir d'une étude des oscillations de la taille du nuage en fonction du champ magnétique. Le taux de collisions élastiques des atomes au sein du piège apparaît faible, du fait d'une densité insuffisante. Parallèlement, des calculs numériques en lien avec la compréhension de l'expérience ont été menés. Ce travail théorique comporte deux volets. Le premier concerne la modélisation du refroidissement évaporatif unidimensionnel dans notre dispositif, par une simulation Monte-Carlo. Les résultats de cette simulation permettent d'envisager une stratégie vers la condensation. Le second volet repose sur l'application d'une méthode asymptotique pour traiter les collisions entre atomes dans l'état fondamental f=3, mf=3, en présence d'un champ magnétique. Cette étude motivée par l'existence d'une résonance de Feshbach pour cet état a permis l'interprétation d'une expérience de photoassociation dans laquelle le contrôle de la longueur de diffusion par modification du champ magnétique a été mis en évidence.
Ce travail de thèse s'inscrit dans un effort de recherche entrepris depuis 1996 pour atteindre la condensation de Bose-Einstein (CBE) de l'atome de césium. Les expériences réalisées en 1996 en piège magnétique échouèrent à cause du taux de collisions inélastiques anormalement élevé pour cet atome. La solution consiste à piéger les atomes dans leur état fondamental. Ceci peut être réalisé dans un piège optique ou un piège mixte, magnétique et optique. En octobre 2002, l'équipe de R. Grimm est parvenue à la CBE du césium grâce au piégeage optique. La solution proposée dans ce manuscrit combine un piégeage magnétique vertical, et un piégeage optique transverse réalisé par un faisceau Nd :YAG. La mise en place du piège mixte a été achevée, et certaines de ses caractéristiques ont été dégagées. Ainsi la durée de vie de 4 s représente la limitation actuelle du piège et est discutée à partir de diverses hypothèses. Le régime collisionnel est aussi analysé à partir d'une étude des oscillations de la taille du nuage en fonction du champ magnétique. Le taux de collisions élastiques des atomes au sein du piège apparaît faible, du fait d'une densité insuffisante. Parallèlement, des calculs numériques en lien avec la compréhension de l'expérience ont été menés. Ce travail théorique comporte deux volets. Le premier concerne la modélisation du refroidissement évaporatif unidimensionnel dans notre dispositif, par une simulation Monte-Carlo. Les résultats de cette simulation permettent d'envisager une stratégie vers la condensation. Le second volet repose sur l'application d'une méthode asymptotique pour traiter les collisions entre atomes dans l'état fondamental f=3, mf=3, en présence d'un champ magnétique. Cette étude motivée par l'existence d'une résonance de Feshbach pour cet état a permis l'interprétation d'une expérience de photoassociation dans laquelle le contrôle de la longueur de diffusion par modification du champ magnétique a été mis en évidence.
L'atome de cesium reste le seul alcalin stable a ne pas avoir ete condense. Ses proprietes collisionelles exceptionnelles (taux de collision inelastiques tres grands) ont jusqu'a ce jour mis en echec les moyens classiques de condenser les gaz. Une maniere de contourner ces difficultes consiste a pieger le cesium dans son etat fondamental. Aux temperatures auxquelles nous travaillons, il est impossible pour deux atomes dans cet etat de subir des collisions avec changement d'etat interne. Malheureusement, cet etat ne peut etre pieger dans un champ magnetique. Notre solution consiste a combiner deux types de forces : l'une magnetique, l'autre optique (dipolaire). La premiere compense la gravite, l'autre confine les atomes dans les deux autres directions. Le premier volet de cette these a consiste en la realisation pratique de ce piege pour l'etat fondamental du cesium. Pour cela, nous avons mis en place un dispositif experimental complet comprenant une double enceinte a ultra-vide et la totalite des sources lasers necessaires a la realisation de pieges magneto-optiques pour le pre-refroidissement des atomes ainsi que la totalite des frequences utiles. Les sequences experimentales et l'acquisition des donnees sont informatisees. Ce montage experimental nous a permis l'obtention d'un piege hybride dont la duree de vie de 2 s etait limitee probablement par un vide de qualite mediocre. Le second volet de cette these fut l'etude theorique du futur de cette experience. En effet, l'etape suivante est de mettre en place un mecanisme d'evaporation pour aller vers la transition de condensation. Dans notre type de piege, ce refroidissement evaporatif comporte des particularites : evaporation a une dimension, evaporation optique. Pour etudier la faisabilite de ces evaporations, j'ai utilise un calcul statistique ainsi qu'une simulation numerique Monte-Carlo de Bird. Le resultat montre qu'il existe des voies pour atteindre la condensation dans ce type de piege.
Ce travail s'inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le fort moment magnétique de 6 µB dans l'état fondamental, la structure électronique en lambda et la présence d'un isotope fermionique rendent en effet l'atome de chrome attractif pour des expériences d'atomes froids. Le dispositif expérimental mis en place ressemble à une expérience de piégeage sur un atome usuel. Néanmoins, des solutions technologiques spécifiques pour réaliser un four à haute température ou générer un faisceau laser à 425,5 nm non modulé ont été adoptées. De plus, deux projets que j'ai menés à bien sont détaillés : l'asservissement en température d'une cavité Fabry Perot et le système d'imagerie par absorption. Les pièges magnéto-optiques de 52Cr et de 53Cr obtenus contiennent respectivement 4.10^6 et 5.10^5 atomes pour des densités de 8.10^10 et 2,5.10^10 cm^−3. Ces deux pièges présentent des caractéristiques similaires : un fort taux de collisions à deux corps de l'ordre de 5.10^−9 cm^−3.s^−1 et un taux de pertes à un corps de 169 s^−1 pour le 52Cr et de 280 s^−1 pour le 53Cr dû à une desexcitation vers des états métastables. Cette dernière propriété permet d'accumuler en continu 2.10^7 atomes de 52Cr et 8.10^5 atomes de 53Cr dans un piège quadripolaire formé par les bobines du piège magnéto-optique. La première obtention et caractérisation d'un piège magnéto-optique mixte d'un mélange 52Cr-53Cr est aussi exposée. L'accumulation d'atomes bosoniques métastables dans un piège optique superposé à un piège magnétique linéaire est étudiée. Ce piège original permet de réaliser le premier piège optique d'atomes dans des états métastables. En un temps très rapide de 100 ms, le piège optique contient 2.10^6 atomes métastables avec une densité de 10^11 cm^−3. Ce résultat constitue une première étape vers l'obtention d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.
L'expérience qui fait l'objet de cette thèse s'inscrit dans un contexte d'évolution de la recherche en physique atomique vers le développement de systèmes miniaturisés pour la génération et la manipulation d'ondes de matière cohérentes. Il s'agit de la réalisation d'un condensat de Bose-Einstein d'un gaz dilué d'atomes de 87Rb piégés par le champ magnétique d'une microstructure. Dans notre cas, cette microstructure, ou puce, est constituée de fils d'or de dimensions micrométriques, déposés sur un substrat de silicium par lithographie optique. Expérimentalement, les atomes désorbés par un filament de rubidium sont chargés et refroidis dans un piège magnéto-optique dont le champ magnétique est créé par des bobines macroscopiques extérieures au système à vide. Le nuage est ensuite transféré dans un second piège magnéto-optique proche de la surface de la puce, et dont le champ magnétique quadrupolaire est généré en partie par un fil microfabriqué en forme de U. Un second transfert place les atomes dans un piège magnétique de type Ioffe-Pritchard utilisant le champ magnétique créé par un deuxième fil en forme de Z. L'échantillon piégé magnétiquement proche de la surface de la puce est alors refroidi par évaporation radio-fréquence jusqu'à atteindre la condensation de Bose-Einstein. Lorsqu'on approche le nuage d'atomes froids de la surface des fils, celui-ci se fragmente. Ce phénomène traduit une rugosité du potentiel de piégeage due à l'inhomogénéïté de la densité de courant dans le microfil en Z. Ce manuscrit présente la réalisation de cette expérience dans son intégralité, des motivations initiales aux résultats expérimentaux obtenus, et décrit l'ensemble des choix technologiques que nous avons effectués pour concevoir ce dispositif et parvenir à ces résultats.
L'experience qui fait l'objet de cette these s'inscrit dans un contexte d'evolution de la recherche en physique atomique vers le developpement de systemes miniaturises pour la generation et la manipulation d'ondes de matiere coherentes. Il s'agit de la realisation d'un condensat de Bose-Einstein d'un gaz dilue d'atomes de 87Rb pieges par le champ magnetique d'une microstructure. Dans notre cas, cette microstructure, ou puce, est constituee de fils d'or de dimensions micrometriques, deposes sur un substrat de silicium par lithographie optique. Experimentalement, les atomes desorbes par un filament de rubidium sont charges et refroidis dans un piege magneto-optique dont le champ magnetique est cree par des bobines macroscopiques exterieures au systeme a vide. Le nuage est ensuite transfere dans un second piege magneto-optique proche de la surface de la puce, et dont le champ magnetique quadrupolaire est genere en partie par un fil microfabrique en forme de U. Un second transfert place les atomes dans un piege magnetique de type Ioffe-Pritchard utilisant le champ magnetique cree par un deuxieme fil en forme de Z. L'echantillon piege magnetiquement proche de la surface de la puce est alors refroidi par evaporation radio-frequence jusqu'a atteindre la condensation de Bose-Einstein. Lorsqu'on approche le nuage d'atomes froids de la surface des fils, celui-ci se fragmente. Ce phenomene traduit une rugosite du potentiel de piegeage due a l'inhomogeneite de la densite de courant dans le microfil en Z. Ce manuscrit presente la realisation de cette experience dans son integralite, des motivations initiales aux resultats experimentaux obtenus, et decrit l'ensemble des choix technologiques que nous avons effectues pour concevoir ce dispositif et parvenir a ces resultats.
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.
A cause de son fort moment magnetique dans l'etat fondamental, le chrome est un bon candidat pour l'etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52 Cr jusqu’a la condensation de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15000 atomes en 15s au total. Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence (rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la rf. Nous avons egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective d’etudier l'effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.