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Atomes metastables dans des potentiels exterieurs : potentiels magnetiques en interferometrie atomique ; interaction de van der waals non-diagonale avec une surface

Mohamed Boustimi

Published Jan 1, 2000• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Dans l'interferometrie atomique de stern-gerlach, qui porte sur un faisceau atomique polarise en spin, le potentiel exterieur est l'operateur energie zeeman. Dans l'experience avec gradient transverse, realisee sur un faisceau d'atomes metastables d'hydrogene, le champ b utilise est celui d'un quadrupole : b, comme le dephasage, est proportionnel a la distance a l'axe. On s'attend alors, dans un plan transverse situe a la sortie de l'interferometre, a une figure d'interference consistant en un spot central brillant entoure de franges annulaires de moins en moins contrastees. La figure dans son ensemble peut etre deplacee arbitrairement dans le plan transverse en ajoutant un champ uniforme. Ces previsions sont entierement confirmees par l'experience. Comme le montrent des simulations, cette methode de modulation interferentielle du profil d'un faisceau peut etre appliquee a la lithographie atomique, a une echelle submicrometrique. L'interaction de van der waals entre un atome metastable et une surface aux distances intermediaires (quelques 10 nm), est un second exemple de potentiel exterieur, avec cette particularite qu'il presente, pour les atomes de gaz rares du neon au xenon, un terme non diagonal couplant entre eux les deux niveaux metastables 3p 0 et 3p 2, la symetrie du probleme laissant prevoir la production d'atomes 3p 2 polarises. La forte exothermicite de cette transition accroit, d'un facteur 2 a 3, la vitesse de l'atome et communique a celui-ci une deflexion importante (60 a 70\). Ces particularites cinematiques nous ont permis d'observer la transition 3p 0- 3p 2 sans ambiguite, malgre la faiblesse du signal detecte, en utilisant comme surface l'un des bords d'une fente de cuivre. L'utilisation future d'un reseau de micro-fentes devrait beaucoup faciliter cette observation et apporter des informations sur la diffraction atomique inelastique par un reseau, c'est a dire sur la coherence du processus, et sur son usage eventuel en interferometrie atomique.

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•Jan 1, 1994•0 citations

Novel perspectives in atomic-beam optics : van der Waals-Zeeman interaction and negative index media for atomic waves

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Dans la première partie de cette thèse, nous développons l étude expérimentale et théorique d un type d interactions à très courte portée (moins de 10nm), dites de van der Waals-Zeeman, entre un atome de gaz rare et une surface métallique. Il s agit d utiliser d une part un jet supersonique d atomes métastables pour diverse espèces (Ne*, Ar*, Kr*) et, d autre part, un jet d argon métastable Ar*(3P2) décéléré par un ralentisseur Zeeman standard. Dans le premier cas, on observe un accroissement de la portée de l interaction de van der Waals-Zeeman en fonction de l augmentation de la constante d anisotropie . Dans le second cas, l augmentation de la portée est observée lors d une diminution de la vitesse d un atome d argon métastable de 560 à 170m/s. La combinaison de ces méthodes nous a permis de mesurer la portée de l interaction (dont l efficacité est de quelques 10-4) avec une résolution spatiale de 2 à 3nm. Dans la seconde partie de ce travail, nous introduisons la thématique nouvelle des milieux d indice négatif pour l optique atomique. Ces milieux consistent en des potentiels dits comobiles agissant dans le vide. Deux effets majeurs de ces milieux d indice négatif sont démontrés: la réfraction négative pour des ondes de matière et le rétrécissement du paquet d onde atomique. Enfin, nous montrons que l application de milieux d indice négatif aux ondes évanescentes de matière (créées à l aide d une barrière de potentiel magnétique statique) permet de les localiser sur une épaisseur de quelques micromètres de part et d autre du bord de la barrière de potentiel.

•Jan 1, 2011•0 citations

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Les ondes optiques sont couramment utilisees en interferometrie atomique : les transferts d'impulsion du rayonnement aux atomes permettent de manipuler ces derniers de diverses manieres. Ce travail est consacre a l'etude de l'interaction d'atomes neutres metastables avec des champs optiques evanescents. Nous avons tout d'abord considere le cas d'une onde evanescente stationnaire exaltee a la surface d'un prisme. La technique d'exaltation utilisee ici est l'excitation d'un plasmon de surface dans la configuration de kretschmann. Nous avons ainsi montre que sous incidence rasante et en adoptant une geometrie adequate on pouvait reduire le decalage doppler. Le reseau de phase optique que constitue l'onde evanescente stationnaire permet alors de diffracter de facon efficace un jet supersonique d'atomes de neon metastables. Ce dispositif peut jouer le role d'une separatrice en interferometrie atomique. Le taux de diffraction que nous avons observe, comparable en fait au taux de reflexion, est de loin superieur aux previsions theoriques du modele de l'atome a deux niveaux. Une explication avait deja ete avancee pour une observation de meme type, montrant que la structure zeeman pouvait jouer un role crucial dans le mecanisme de la diffraction. Dans notre cas, cette explication se revele insuffisante, ce qui nous a conduit a examiner le detail de ces modeles pour proposer de nouvelles voies d'investigation. Parallelement a ce travail nous avons envisage l'utilisation du potentiel optique cree par l'onde evanescente entourant une fibre optique etiree. Une etude theorique de l'interaction d'un faisceau d'atomes supersoniques avec cette onde evanescente est presentee. Cette etude montre la possibilite de realiser un interferometre atomique a bras separes, dont l'analogue optique est le biprisme de fresnel. Nous decrivons la source laser asservie en frequence que nous avons realisee, avant de presenter nos resultats experimentaux preliminaires.

•Jan 1, 1998•0 citations

Effets transverses et temporels en interférométrie atomique Stern-Gerlach

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Ce memoire presente un ensemble d'etudes experimentales et theoriques sur l'interferometrie atomique stern-gerlach utilisant des atomes d'hydrogene metastables. Les themes abordes sont : 1) la determination de l'evolution du systeme atomique dont le mouvement externe est decrit par une onde libre : c'est la methode du lancer de rayons. Elle procede comme suit : la fonction d'onde initiale est decomposee en ondes planes sur lesquelles sont calculees les cartes de la polarisation atomique, dans l'espace et au cours du temps. Puis, ayant dresse la cartographie de cette polarisation, nous en deduisons la propagation de l'onde. Lorsque les conditions de validite du lancer de rayon sont reunies, nous avons un procede tres efficace pour determiner l'evolution de la fonction d'onde. 2) les effets lies a l'extension spatiale transverse du faisceau et a l'inhomogeneite transverse du potentiel magnetique. La prise en compte de ces inhomogeneites est essentielle a la comprehension de phenomenes dont on peut difficilement rendre compte dans un modele unidimensionnel. Nous montrons ainsi que l'inhomogeneite transverse est la cause principale de la decoherence de spin et du signal de l'interferometre en configuration mach-zehnder longitudinal. 3) nous traitons egalement du role de la chronologie des evenements en interferometrie atomique stern-gerlach. D'une part la manipulation de la statistique temporelle du faisceau atomique nous a permis d'ameliorer le contraste du signal interferentiel. D'autre part, nous avons pu, pour la premiere fois en optique atomique, realiser des experiences de choix differe mettant en jeu les fondements de la mecanique quantique. L'ensemble de ces resultats montre les possibilites de l'interferometrie atomique stern-gerlach en tant que puissant outil d'investigation de phenomenes aussi bien fondamentaux qu'appliques.

•Jan 1, 1997•1 citation

Perspectives nouvelles pour l’optique atomique en jets : Interaction de van der Waals-Zeeman et milieux d’indice négatif pour les ondes de matière

M. Hamamda

Dans la première partie de cette thèse, nous développons l'étude expérimentale et théorique d'un type d'interactions à très courte portée (moins de 10nm), dites de van der Waals-Zeeman, entre un atome de gaz rare et une surface métallique. Il s'agit d'utiliser d'une part un jet supersonique d'atomes métastables pour diverse espèces (Ne*, Ar*, Kr*) et, d'autre part, un jet d'argon métastable Ar*(3P2) décéléré par un ralentisseur Zeeman standard. Dans le premier cas, on observe un accroissement de la portée de l'interaction de van der Waals-Zeeman en fonction de l'augmentation de la constante d'anisotropie n. Dans le second cas, l'augmentation de la portée est observée lors d'une diminution de la vitesse d'un atome d'argon métastable de 560 à 170m/s. La combinaison de ces méthodes nous a permis de mesurer la portée de l'interaction (dont l'efficacité est de quelques 10^(-4)) avec une résolution spatiale de 2 à 3nm. Dans la seconde partie de ce travail, nous introduisons la thématique nouvelle des milieux d'indice négatif pour l'optique atomique. Ces milieux consistent en des potentiels dits comobiles agissant dans le vide. Deux effets majeurs de ces milieux d'indice négatif sont démontrés : la réfraction négative pour des ondes de matière et le rétrécissement du paquet d'onde atomique. Enfin, nous montrons que l'application de milieux d'indice négatif aux ondes évanescentes de matière (créées à l'aide d'une barrière de potentiel magnétique statique) permet de les localiser sur une épaisseur de quelques micromètres de part et d'autre du bord de la barrière de potentiel.

•Jan 1, 2011•0 citations

Collision d'un atome métastable de gaz rare sur une surface nano ou micro-structurée et optique atomique.

Jean-Christophe Karam

Dans cette thèse, on a montré l'occurrence de transitions exothermiques et endothermiques entre les niveaux métastables 3P_2 et 3P_0 dans la collision d'atomes de gaz rare avec une surface solide. Le développement d'une source d'atomes métastables utilisant le processus d'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique a permis ensuite d'observer la diffraction par un réseau de nanofentes, puis, dans une expérience de collision sur un réseau micrométrique en Cuivre en présence d'un champ magnétique externe, d'observer des transitions Zeeman au sein du niveau 3P_2. Le calcul, à partir des données spectroscopiques, de l'interaction de van der Waals entre un atome d'argon métastable dans l'état 3P_2 et une surface conductrice plane a révélé outre une partie scalaire, une partie quadrupolaire modifiant l'énergie des sous niveaux au voisinage de la surface. Un modèle d'évolution soudaine prédit alors une probabilité de transition dont l'ordre de grandeur est en accord avec l'expérience.

•Oct 19, 2005•0 citations
Dans l'interferometrie atomique de stern-gerlach, qui porte sur un faisceau atomique polarise en spin, le potentiel exterieur est l'operateur energie zeeman. Dans l'experience avec gradient transverse, realisee sur un faisceau d'atomes metastables d'hydrogene, le champ b utilise est celui d'un quadrupole : b, comme le dephasage, est proportionnel a la distance a l'axe. On s'attend alors, dans un plan transverse situe a la sortie de l'interferometre, a une figure d'interference consistant en un spot central brillant entoure de franges annulaires de moins en moins contrastees. La figure dans son ensemble peut etre deplacee arbitrairement dans le plan transverse en ajoutant un champ uniforme. Ces previsions sont entierement confirmees par l'experience. Comme le montrent des simulations, cette methode de modulation interferentielle du profil d'un faisceau peut etre appliquee a la lithographie atomique, a une echelle submicrometrique. L'interaction de van der waals entre un atome metastable et une surface aux distances intermediaires (quelques 10 nm), est un second exemple de potentiel exterieur, avec cette particularite qu'il presente, pour les atomes de gaz rares du neon au xenon, un terme non diagonal couplant entre eux les deux niveaux metastables 3p 0 et 3p 2, la symetrie du probleme laissant prevoir la production d'atomes 3p 2 polarises. La forte exothermicite de cette transition accroit, d'un facteur 2 a 3, la vitesse de l'atome et communique a celui-ci une deflexion importante (60 a 70). Ces particularites cinematiques nous ont permis d'observer la transition 3p 0- 3p 2 sans ambiguite, malgre la faiblesse du signal detecte, en utilisant comme surface l'un des bords d'une fente de cuivre. L'utilisation future d'un reseau de micro-fentes devrait beaucoup faciliter cette observation et apporter des informations sur la diffraction atomique inelastique par un reseau, c'est a dire sur la coherence du processus, et sur son usage eventuel en interferometrie atomique.
Le travail presente dans ce memoire comprend une serie d'etudes experimentales de l'interferometrie de type-Gerlach appliquee a un faisceau d'atomes d'hydrogene metastables. Cet interferometre agit sur les etats internes et externes enchevetres d'un atome et il a comme base l'effet Stern-Gerlach. Un atome dans une superposition coherente d'etats de spin traverse un profil du champ a gradients longitudinaux ou transverses localise dans la region d'interaction. Ainsi les paquets d'onde associes a chaque etat de spin sont separes dans l'espace. Le mouvement externe de l'atome est dedouble et il a un dephasage entre les composantes de la fonction d'onde. On a fait des etudes utilisant un champ magnetique soit continu independant du temps soit pulse dependant du temps. Dans le cas continu les figures d'interference montrent un effet dispersif et dans le cas pulse l'effet montre est non-dispersif du genre d'aharonov-bohm scalaire. En plus, on a montre la presence des phases topologiques dans les systemes atomiques. Les signaux mesures dans les experiences mentionnees comprennent les elements de la matrice densite du jet atomique dans la representation d'impulsion. Donc, on peut determiner les caracteristiques de la coherence du faisceau
Dans la première partie de cette thèse, nous développons l étude expérimentale et théorique d un type d interactions à très courte portée (moins de 10nm), dites de van der Waals-Zeeman, entre un atome de gaz rare et une surface métallique. Il s agit d utiliser d une part un jet supersonique d atomes métastables pour diverse espèces (Ne*, Ar*, Kr*) et, d autre part, un jet d argon métastable Ar*(3P2) décéléré par un ralentisseur Zeeman standard. Dans le premier cas, on observe un accroissement de la portée de l interaction de van der Waals-Zeeman en fonction de l augmentation de la constante d anisotropie . Dans le second cas, l augmentation de la portée est observée lors d une diminution de la vitesse d un atome d argon métastable de 560 à 170m/s. La combinaison de ces méthodes nous a permis de mesurer la portée de l interaction (dont l efficacité est de quelques 10-4) avec une résolution spatiale de 2 à 3nm. Dans la seconde partie de ce travail, nous introduisons la thématique nouvelle des milieux d indice négatif pour l optique atomique. Ces milieux consistent en des potentiels dits comobiles agissant dans le vide. Deux effets majeurs de ces milieux d indice négatif sont démontrés: la réfraction négative pour des ondes de matière et le rétrécissement du paquet d onde atomique. Enfin, nous montrons que l application de milieux d indice négatif aux ondes évanescentes de matière (créées à l aide d une barrière de potentiel magnétique statique) permet de les localiser sur une épaisseur de quelques micromètres de part et d autre du bord de la barrière de potentiel.
Les ondes optiques sont couramment utilisees en interferometrie atomique : les transferts d'impulsion du rayonnement aux atomes permettent de manipuler ces derniers de diverses manieres. Ce travail est consacre a l'etude de l'interaction d'atomes neutres metastables avec des champs optiques evanescents. Nous avons tout d'abord considere le cas d'une onde evanescente stationnaire exaltee a la surface d'un prisme. La technique d'exaltation utilisee ici est l'excitation d'un plasmon de surface dans la configuration de kretschmann. Nous avons ainsi montre que sous incidence rasante et en adoptant une geometrie adequate on pouvait reduire le decalage doppler. Le reseau de phase optique que constitue l'onde evanescente stationnaire permet alors de diffracter de facon efficace un jet supersonique d'atomes de neon metastables. Ce dispositif peut jouer le role d'une separatrice en interferometrie atomique. Le taux de diffraction que nous avons observe, comparable en fait au taux de reflexion, est de loin superieur aux previsions theoriques du modele de l'atome a deux niveaux. Une explication avait deja ete avancee pour une observation de meme type, montrant que la structure zeeman pouvait jouer un role crucial dans le mecanisme de la diffraction. Dans notre cas, cette explication se revele insuffisante, ce qui nous a conduit a examiner le detail de ces modeles pour proposer de nouvelles voies d'investigation. Parallelement a ce travail nous avons envisage l'utilisation du potentiel optique cree par l'onde evanescente entourant une fibre optique etiree. Une etude theorique de l'interaction d'un faisceau d'atomes supersoniques avec cette onde evanescente est presentee. Cette etude montre la possibilite de realiser un interferometre atomique a bras separes, dont l'analogue optique est le biprisme de fresnel. Nous decrivons la source laser asservie en frequence que nous avons realisee, avant de presenter nos resultats experimentaux preliminaires.
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Dans la première partie de cette thèse, nous développons l'étude expérimentale et théorique d'un type d'interactions à très courte portée (moins de 10nm), dites de van der Waals-Zeeman, entre un atome de gaz rare et une surface métallique. Il s'agit d'utiliser d'une part un jet supersonique d'atomes métastables pour diverse espèces (Ne*, Ar*, Kr*) et, d'autre part, un jet d'argon métastable Ar*(3P2) décéléré par un ralentisseur Zeeman standard. Dans le premier cas, on observe un accroissement de la portée de l'interaction de van der Waals-Zeeman en fonction de l'augmentation de la constante d'anisotropie n. Dans le second cas, l'augmentation de la portée est observée lors d'une diminution de la vitesse d'un atome d'argon métastable de 560 à 170m/s. La combinaison de ces méthodes nous a permis de mesurer la portée de l'interaction (dont l'efficacité est de quelques 10^(-4)) avec une résolution spatiale de 2 à 3nm. Dans la seconde partie de ce travail, nous introduisons la thématique nouvelle des milieux d'indice négatif pour l'optique atomique. Ces milieux consistent en des potentiels dits comobiles agissant dans le vide. Deux effets majeurs de ces milieux d'indice négatif sont démontrés : la réfraction négative pour des ondes de matière et le rétrécissement du paquet d'onde atomique. Enfin, nous montrons que l'application de milieux d'indice négatif aux ondes évanescentes de matière (créées à l'aide d'une barrière de potentiel magnétique statique) permet de les localiser sur une épaisseur de quelques micromètres de part et d'autre du bord de la barrière de potentiel.
Dans cette thèse, on a montré l'occurrence de transitions exothermiques et endothermiques entre les niveaux métastables 3P_2 et 3P_0 dans la collision d'atomes de gaz rare avec une surface solide. Le développement d'une source d'atomes métastables utilisant le processus d'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique a permis ensuite d'observer la diffraction par un réseau de nanofentes, puis, dans une expérience de collision sur un réseau micrométrique en Cuivre en présence d'un champ magnétique externe, d'observer des transitions Zeeman au sein du niveau 3P_2. Le calcul, à partir des données spectroscopiques, de l'interaction de van der Waals entre un atome d'argon métastable dans l'état 3P_2 et une surface conductrice plane a révélé outre une partie scalaire, une partie quadrupolaire modifiant l'énergie des sous niveaux au voisinage de la surface. Un modèle d'évolution soudaine prédit alors une probabilité de transition dont l'ordre de grandeur est en accord avec l'expérience.