Contributions a l'etude des collisions et des interactions dans un gaz froid d'atomes de rydberg de cesium : entonnoir a atomes spectroscopie de croisements evites des collisions resonnantes au gaz de rydberg gele
Le but de cette these consiste en l'etude de phenomenes de collisions et la mise en evidence d'effets collectifs entre atomes refroidis par laser. Elle est divisee en trois parties distinctes: pour pouvoir observer des collisions entre atomes froids, il est necessaire de mettre en place des dispositifs livrants des echantillons d'atomes froids denses. Une premiere partie s'occupe des experiences de mise en place et d'amelioration d'un piege magneto-optique a deux dimensions. Avec un tel dispositif, on a ete capable de comprimer des jets ralentis sur un diametre de 200 micrometres, tout en augmentant la densite d'un facteur 300. Desirant connaitre le comportement d'atomes de rydberg en presence de champs electriques externes, on a entrepris des experiences spectroscopiques de croisements evites entre etats stark du cesium. Le developpement d'une nouvelle methode profitant de la dependance du chemin d'ionisation sur les croisements evites a permis de les caracteriser jusqu'a des largeurs de 30 mhz. La troisieme partie de cette these detaille les experiences de collisions resonnantes entre atomes de rydberg qui ont ete realisees sur des atomes de cesium d'un jet thermique et d'un piege magneto-optique a trois dimensions. En examinant les resultats obtenus, on observe une nette difference entre ces deux regimes de collisions. Les collisions thermiques sont correctement decrites en tant que processus de collision entre deux atomes isoles, presentant une section efficace et une vitesse de collision. Dans le cas d'atomes ultra-froids, la vitesse de collision devient nulle et le temps de collision excede la duree de vie des atomes de rydberg impliques. Ceux-ci voient une interaction constante qui depend du nombre et de la densite de partenaires de collision. On assiste ainsi a des effets collectifs entre atomes de rydberg qui sont figes dans une sorte de gaz gele ou de cristal desordonne
Le but de cette these consiste en l'etude de phenomenes de collisions et la mise en evidence d'effets collectifs entre atomes refroidis par laser. Elle est divisee en trois parties distinctes: pour pouvoir observer des collisions entre atomes froids, il est necessaire de mettre en place des dispositifs livrants des echantillons d'atomes froids denses. Une premiere partie s'occupe des experiences de mise en place et d'amelioration d'un piege magneto-optique a deux dimensions. Avec un tel dispositif, on a ete capable de comprimer des jets ralentis sur un diametre de 200 micrometres, tout en augmentant la densite d'un facteur 300. Desirant connaitre le comportement d'atomes de rydberg en presence de champs electriques externes, on a entrepris des experiences spectroscopiques de croisements evites entre etats stark du cesium. Le developpement d'une nouvelle methode profitant de la dependance du chemin d'ionisation sur les croisements evites a permis de les caracteriser jusqu'a des largeurs de 30 mhz. La troisieme partie de cette these detaille les experiences de collisions resonnantes entre atomes de rydberg qui ont ete realisees sur des atomes de cesium d'un jet thermique et d'un piege magneto-optique a trois dimensions. En examinant les resultats obtenus, on observe une nette difference entre ces deux regimes de collisions. Les collisions thermiques sont correctement decrites en tant que processus de collision entre deux atomes isoles, presentant une section efficace et une vitesse de collision. Dans le cas d'atomes ultra-froids, la vitesse de collision devient nulle et le temps de collision excede la duree de vie des atomes de rydberg impliques. Ceux-ci voient une interaction constante qui depend du nombre et de la densite de partenaires de collision. On assiste ainsi a des effets collectifs entre atomes de rydberg qui sont figes dans une sorte de gaz gele ou de cristal desordonne
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.
Cette these concerne l'etude des effets a n corps dans un gaz d'atomes de rydberg froids de cesium obtenu en utilisant un piege magneto-optique. Le processus d'echange resonnant d'energie interne regi par l'interaction dipole-dipole a ete etudie experimentalement dans des conditions ou le gaz atomique peut etre considere comme fige : un gaz de rydberg gele. Les profils des resonances observees presentent des largeurs beaucoup plus grandes que celles qui correspondraient aux interactions dipole-dipole moyennes entre les atomes de rydberg proches voisins, comme celles prevues par un modele de gaz dilue ou les collisions binaires predominent. Le systeme mesoscopique d'atomes de rydberg froids s'apparente davantage a un solide amorphe ou les effets a n corps deviennent importants. Un modele phenomenologique de type reaction-diffusion a ete developpe en prenant en compte deux processus essentiels. Le premier concerne le transfert d'energie entre deux atomes tres proches conduisant a la creation d'excitations elementaires : etats de rydberg atomiques differents des etats initiaux. Le deuxieme processus correspond a une interaction a n corps conduisant a la migration diffusive de ces excitations a travers le bain des autres atomes de rydberg. Ce modele explique les particularites d'echange d'energie dans un gaz de rydberg gele : les fluctuations rares des paires d'atomes tres proches sont a l'origine des largeurs des resonances observees tandis que la diffusion des etats quantiques explique la dependance des profils des resonances avec la densite.
Les faisceaux d’électrons et d’ions sont au cœur de nombreuses techniques instrumentales servant à explorer, analyser et agir sur des matériaux à l’échelle du micromètre au nanomètre (Microscopie électronique, spectrométrie d’électrons, techniques de « FIB »). Les limites de résolution spatiale et énergétique de ces techniques dépendent en grande partie des propriétés des sources qu’elles utilisent et en particulier de leur température de fonctionnement. De fait, depuis plus de 10 ans, le potentiel des atomes froids ionisés comme nouveau type de source d’électrons ou d’ions est intensivement exploré.Le projet expérimental réalisé au LAC et décrit dans cette thèse utilise un jet d’atomes de césium issu d’un piège magnéto-optique à deux dimensions. La température transverse du jet est de l’ordre de 100 µK. Malgré cela, le jet est encore trop divergent après la sortie de la zone de refroidissement pour notre expérience. Afin guider le jet d’atomes jusqu’à la zone d’ionisation, nous avons étudié une méthode particulière de guidage dipolaire. L’utilisation d’un seul laser convenablement réglé nous a permis de guider et pousser les atomes du jet en même temps tout en limitant le chauffage. Nous avons ainsi pu compresser avec ce laser pousseur-guideur le jet d’atomes sur un diamètre de 400 µm à 60 cm de la zone de refroidissement du PMO-2D.Le jet est ensuite ionisé par la méthode d’ionisation en champ électrique statique d’atomes de Rydberg. Les atomes sont tout d’abord excités par laser sur un état de Rydberg (n~30) en présence d’un champ électrique uniforme et homogène. Les atomes du jet ainsi excités voyagent vers une zone présentant un fort gradient de champ où ils vont alors s’ioniser autour de la même valeur de potentiel, réduisant ainsi la taille de la zone d’ionisation et donc de la dispersion en énergie potentielle initiale du faisceau d’électron. La probabilité d’ionisation des atomes dans le champ dépend grandement de l’état de Rydberg préalablement excité. Le choix de l’état de Rydberg optimal, i.e. qui a une probabilité d’ionisation la plus grande possible, nécessite une étude de l’ionisation des états de Rydberg du césium. Un modèle à deux niveaux est présenté dans cette thèse qui permet de retrouver le comportement d’ionisation d’état de Rydberg observé expérimentalement. Ce modèle simple nous a permis de comprendre quel type d’état nous devions exciter. Enfin une étude expérimentale est également présentée.
Les faisceaux d’électrons et d’ions sont au cœur de nombreuses techniques instrumentales servant à explorer, analyser et agir sur des matériaux à l’échelle du micromètre au nanomètre (Microscopie électronique, spectrométrie d’électrons, techniques de « FIB »). Les limites de résolution spatiale et énergétique de ces techniques dépendent en grande partie des propriétés des sources qu’elles utilisent et en particulier de leur température de fonctionnement. De fait, depuis plus de 10 ans, le potentiel des atomes froids ionisés comme nouveau type de source d’électrons ou d’ions est intensivement exploré.Le projet expérimental réalisé au LAC et décrit dans cette thèse utilise un jet d’atomes de césium issu d’un piège magnéto-optique à deux dimensions. La température transverse du jet est de l’ordre de 100 µK. Malgré cela, le jet est encore trop divergent après la sortie de la zone de refroidissement pour notre expérience. Afin guider le jet d’atomes jusqu’à la zone d’ionisation, nous avons étudié une méthode particulière de guidage dipolaire. L’utilisation d’un seul laser convenablement réglé nous a permis de guider et pousser les atomes du jet en même temps tout en limitant le chauffage. Nous avons ainsi pu compresser avec ce laser pousseur-guideur le jet d’atomes sur un diamètre de 400 µm à 60 cm de la zone de refroidissement du PMO-2D.Le jet est ensuite ionisé par la méthode d’ionisation en champ électrique statique d’atomes de Rydberg. Les atomes sont tout d’abord excités par laser sur un état de Rydberg (n~30) en présence d’un champ électrique uniforme et homogène. Les atomes du jet ainsi excités voyagent vers une zone présentant un fort gradient de champ où ils vont alors s’ioniser autour de la même valeur de potentiel, réduisant ainsi la taille de la zone d’ionisation et donc de la dispersion en énergie potentielle initiale du faisceau d’électron. La probabilité d’ionisation des atomes dans le champ dépend grandement de l’état de Rydberg préalablement excité. Le choix de l’état de Rydberg optimal, i.e. qui a une probabilité d’ionisation la plus grande possible, nécessite une étude de l’ionisation des états de Rydberg du césium. Un modèle à deux niveaux est présenté dans cette thèse qui permet de retrouver le comportement d’ionisation d’état de Rydberg observé expérimentalement. Ce modèle simple nous a permis de comprendre quel type d’état nous devions exciter. Enfin une étude expérimentale est également présentée.
Ce travail s'inscrit dans le contexte des recherches sur les gaz quantiques de molécules ultra-froides. Ce domaine en pleine expansion place ce type de système comme plate-forme prometteuse pour le contrôle de gaz quantiques pour des applications comme la simulation quantique ou la chimie ultra-froide.Lorsque ces molécules sont préparées dans leur état fondamental absolu et piégées, les observations révèlent la fuite rapide des molécules du piège par des processus collisionnels encore mal compris, empêchant toute application. Une solution consiste à exposer ces molécules à un champ électromagnétique pour supprimer ces pertes, en écrantant les collisions entre molécules. L'écrantage consiste à transformer les interactions attractives en interactions répulsives.Dans cette thèse, je propose une nouvelle technique d'écrantage des collisions basée sur un processus à deux photons dans le domaine optique. La principale motivation pour cette méthode est de combiner les avantages des techniques existantes dans le domaine microonde, tout en éliminant leurs limitations.Je commence par explorer et modéliser les interactions à longue portée entre les molécules polaires, dominées par l'interaction dipôle-dipôle. Je présente mes calculs des courbes d'énergie potentielle d'interaction à longue portée entre deux molécules dans leur état électronique fondamental ainsi que dans des états électroniques excités. Ce calcul, effectué dans la base couplée des moments angulaires dans le référentiel du laboratoire, a permis d'identifier des configurations où l'interaction entre les molécules est répulsive.Il convient donc de coupler l'état initial attractif des molécules en collision, à cet état répulsif. J'ai modélisé l'interaction entre deux molécules dans un schéma de type Raman à deux photons. A l'infini, les molécules individuelles sont placées dans les conditions de la transparence électromagnétiquement induite (EIT), pour les protéger de la diffusion de photons, qui contribue au réchauffement du gaz quantique.Lorsque les molécules interagissent, j'ai montré que leur exposition aux deux photons se modélise au travers d'un schéma à 5 niveaux, chacun d'entre eux étant composé de multiples composantes. Cela impose la prise en compte de cette complexité intrinsèque pour une représentation fidèle du comportement des molécules, s'éloignant ainsi des modèles connus à petit nombre de niveaux. Les fréquences de Rabi et le décalage en fréquence des deux lasers permettent de contrôler l'évolution de la collision entre molécules. En appliquant la théorie de la diffusion indépendante du temps, j'ai propagé la fonction d'onde des deux molécules, dont l'interaction est décrite par les courbes de potentiel habillées par la lumière, en considérant un formalisme purement quantique. J'ai calculé les taux de collisions élastiques, inélastiques et réactives induites par les lasers. L'objectif a été de déterminer les conditions pour lesquelles le taux de collisions élastiques domine les taux de collisions inélastiques et réactives, traduisant les pertes observées. Pour des valeurs de fréquence de Rabi et de décalage en fréquence compatibles avec les conditions expérimentales typiques, le taux de collisions élastiques demeure inférieur aux autres taux, ce qui empêche un écrantage efficace, tout en démontrant l'influence réelle des lasers. La principale raison de cette efficacité limitée est que le schéma proposé repose sur des interactions dipôle-dipôle du 2ème ordre, qui ne sont pas suffisamment fortes pour induire des couplages assez intenses pour protéger les molécules des pertes.Pour y remédier, nous proposons d'utiliser un faible champ électrique statique, qui pourrait coupler des états au 1er ordre, induisant des interactions dipôle-dipôle plus fortes et donc un écrantage plus efficace. Un tel champ est nécessaire dans les futures expériences visant à étudier les effets anisotropes dans les gaz quantiques moléculaires ultra-froids.
Cette these s'inscrit dans le cadre d'une etude experimentale et theorique de la compression transverse a deux dimensions d'un jet atomique de cesium ralenti et refroidi. La principale caracteristique de ce piege est son caractere transitoire compare au piege a trois dimensions. Nous avons ete capable d'obtenir une compression du jet d'un diametre de 5 mm jusqu'a un diametre de 200 m. Le gain en densite obtenu atteint un facteur 300 et le temps de compression atteint est de l'ordre de 240 m. Deux methodes experimentales ont ete utilisees pour obtenir cette efficacite de compression. La premiere est basee sur le pompage optique de la population atomique par l'intermediaire d'un laser. La deuxieme methode est basee sur la pre-orientation des moments magnetiques atomiques avec suivi adiabatique des lignes de champ magnetique. Nous avons aussi discute le fonctionnement de ce piege en termes de trajectoires d'atomes a l'aide d'un modele monte-carlo. Une comparaison entre les resultats experimentaux et les resultats obtenus par cette simulation montre une concordance satisfaisante. La compression d'un jet d'atomes ralentis et comprimes representent un outil tres puissant dans les experiences de metrologie et de haute resolution ainsi que dans les experiences concernant la recherche fondamentale telles que les collisions entre atomes froids et l'interferometrie atomique