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A New Metastable Helium Machine : An Investigation into the Attributes of Trapping, Cooling and Detecting Metastable Helium

Lynn Hoendervanger

Published Oct 3, 2014• 0 citations
Publisher

Abstract

machine pour métastable hélium : Une enquête sur les attributs de piégeage, de refroidissement et de détection de métastable hélium Cette thèse décrit le travail accompli au cours des trois dernières années sur la nouvelle expérience d’Hélium métastable de l'Institut d'Optique à Palaiseau.Le premier chapitre décrit une étude visant à améliorer à la fois l'efficacité et la précision du système de détection par galettes à micro-canaux (MCP). Nous avons fait des mesures avec des galettes recouvertes d'une couche d'or sur la face avant, obtenant un accroissement de l'efficacité de détection mais également une réduction de la précision. L'ajout d'une tension intermédiaires entre les deux galettes empilées a au contraire améliorer à la fois l'efficacité et la précision des MCP, en l’absence d’une couche d’or.Le deuxième chapitre est consacré à la construction de l'appareil expérimental pour le refroidissement et le piégeage d’atomes. L’excitation de l'état fondamental de l’Hélium à l'état métastable est décrite, ainsi que la collimation et le refroidissement ultérieur par Zeeman lent du faisceau atomique chaud résultant. Le faisceau ralenti est alors capturé dans un piège magnéto-optique (PMO), dans lequel nous avons capturé 8x108 atomes.Dans le troisième chapitre une étude originale du refroidissement Doppler tridimensionnel dans un PMO et une mélasse désaccordée vers le rouge de la transition atomique est discutée. L’atome d’Hélium métastable est unique et ses propriétés ont permis une telle étude. En effet, les faibles densités atomiques impliquent qu’il n'y a pas de diffusion multiple de photons d’une part, et la faible masse et la faible largeur de la transition 23S1 -> 23P2 rend inefficace les processus de refroidissement sous la limite Doppler. Ces conditions nous ont permis d’observer pour la première fois à trois dimensions un gaz refroidit dans le régime Doppler.Le quatrième chapitre présente une étude sur les collisions dans un piège magnéto-optique d’Hélium métastable. Les collisions Penning induites par la lumière, en particulier à des intensités élevées et à des fréquences proches de la fréquence de transition, sont responsables de pertes élevées d’atomes piégés. Nous mesurons le coefficient de taux associé à ces pertes, Ksp = 2,8 ± 0,4 x 10-7cm3/ s.

DOI
10.70675/611a271az8dccz4cebzb038z3516146ab871

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Mesure de deux caracteristiques de l'helium metastable importantes pour le refroidissement radiatif : taux de pertes par collisions en presence de lumiere quasi-resonante et taux de transition des raies interdites 2 3p 1-1 1s 0 et 2 3p 2-1 1s 0

J. Poupard

Cette these etudie deux caracteristiques de l'helium importantes pour le refroidissement radiatif. Dans une premiere partie, on mesure le taux de pertes a deux corps dans un piege magneto-optique d'helium metastable. Ces pertes, accentuees en presence d'une irradiation quasi-resonante, sont principalement dues aux collisions ionisantes entre deux atomes d'helium metastable. On mesure le taux de pertes en etudiant l'evolution du nombre d'atomes dans le piege magneto-optique par observation de la fluorescence des atomes ou des ions produits par les collisions. Nous etudions aussi les variations de ce taux en fonction du desaccord des lasers piege. La deuxieme partie de la these est consacree a la description des experiences nous ayant permis de mesurer les taux de transition des raies interdites 2 3p 1-1 1s 0 et 2 3p 2-1 1s 0 de l'helium. Ces transitions limitent les performances des experiences de refroidissement radiatif. En effet, les atomes excites de l'etat metastable vers l'etat 2 3p 1 ou 2 3p 2 par les lasers de refroidissement peuvent se desexciter vers le niveau fondamental. Ils sont alors perdus pour la suite des experiences. Dans une premiere experience nous mesurons le taux de transition de 2 3p 1-1 1s 0 en excitant avec un laser une petite fraction d'atomes contenus dans un piege magneto-optique d'helium metastable vers l'etat 2 3p 1. On observe une baisse de la duree de vie du piege magneto-optique qui est la signature de la fuite des atomes vers l'etat fondamental. Dans une deuxieme experience, nous mesurons le rapport des taux de transition de 2 3p 2 et 2 3p 1 vers 1 1s 0 en effectuant le rapport des flux de photons uv emis par atome se desexcitant par l'une et l'autre des deux transitions interdites. D'apres la premiere experience, nous en deduisons le taux de transition de 2 3p 2 -1 1s 0. La determination independante de ces taux par estimation du flux absolu de photons uv emis par les atomes est compatible avec les resultats des deux premieres experiences.

•Jan 1, 2000•0 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.

•Jan 1, 2002•1 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.

•Jan 17, 2002•0 citations

Optique atomique quantique sur des nuages ultra-froids d'hélium métastable

Denis Boiron

Ce manuscrit décrit les expériences menées sur le montage "hélium métastable" de 1998 à 2008. Dès mon arrivée à l'Institut d'Optique, nous avions décidé de nous lancer dans la course de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Cet atome a en effet un atout : sa métastabilité. Son énergie interne de 20 eV est suffisamment grande pour que cet atome puisse être détecté électroniquement de façon très efficace par une galette de micro-canaux ; il est ainsi possible de faire du comptage d'atomes uniques, d'où la thématique optique atomique quantique. De plus, la probabilité d'avoir une ionisation lors d'une collision entre deux ou trois atomes d'hélium métastable est assez importante aux densités atomiques auxquelles nous travaillons. Les ions produits, détectables par la même galette permettent d'avoir un diagnostic in situ original de la densité atomique. On peut chronologiquement distinguer trois périodes. De 1998 à 2004 nous avons obtenu le condensat et étudié ces propriétés collisionnelles. De 2004 à 2007 nous avons mesuré les propriétés de corrélation à deux corps des nuages au-dessus ou en dessous de la dégénérescence quantique, suite à une amélioration de notre système de détection. Depuis 2006, nous avons commencé une nouvelle thématique portant sur l'optique atomique quantique et une première expérience sur la création de paires d'atomes a déjà eu lieu.

•Feb 23, 2009•0 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.

•Jan 1, 2004•0 citations

Création et étude de sources d'états non classiques pour l'optique atomique quantique

Jean-Christophe Jaskula

Ce mémoire rapporte les résultats de plusieurs expériences mettant en jeu des nuages ultra-froids d'hélium métastable. Deux thématiques différentes sont abordées au cours de cette thèse : l'optique atomique quantique et l'étude des propriétés collisionnelles inter-spin. Les premières études présentées ont été réalisées sur un ensemble de paires d'atomes corrélés créé par collision entre deux condensats de Bose-Einstein. Ce processus peut être vu comme un analogue de la conversion paramétrique en optique photonique quantique. Une étude fine des propriétés géométriques du halo de collisions a indiqué une déformation de celui par rapport à la forme sphérique attendue pour une collision en onde S. Nous avons montré que cet effet tire son origine de l'interaction entre atomes et de la dynamique du processus. Par ailleurs, l'étude statistique de ces paires d'atomes corrélés a permis de mettre en évidence une réduction des fluctuations sous le bruit de grenaille de la différence du nombre d'atomes entre deux zones opposées. Ce résultat est un nouvel indice sur la nature des états quantiques créés qui présentent très certainement un réel intérêt dans l'interférométrie atomique et la violation d'inégalités de Bell avec des atomes neutres. Nous décrivons également le piège optique qui a été mis en place et utilisé pour une partie de ces expériences et dont les caractéristiques permettent d'utiliser au mieux notre détecteur d'atomes uniques. Nous avons pu, à l'aide de ce dispositif, mesurer les stabilités relatives de certains états de spin de l'hélium métastable et prouver qu'il est possible de mener des expériences sur des mélanges de spins selon certaines conditions.

•Dec 10, 2010•0 citations
machine pour métastable hélium : Une enquête sur les attributs de piégeage, de refroidissement et de détection de métastable hélium Cette thèse décrit le travail accompli au cours des trois dernières années sur la nouvelle expérience d’Hélium métastable de l'Institut d'Optique à Palaiseau.Le premier chapitre décrit une étude visant à améliorer à la fois l'efficacité et la précision du système de détection par galettes à micro-canaux (MCP). Nous avons fait des mesures avec des galettes recouvertes d'une couche d'or sur la face avant, obtenant un accroissement de l'efficacité de détection mais également une réduction de la précision. L'ajout d'une tension intermédiaires entre les deux galettes empilées a au contraire améliorer à la fois l'efficacité et la précision des MCP, en l’absence d’une couche d’or.Le deuxième chapitre est consacré à la construction de l'appareil expérimental pour le refroidissement et le piégeage d’atomes. L’excitation de l'état fondamental de l’Hélium à l'état métastable est décrite, ainsi que la collimation et le refroidissement ultérieur par Zeeman lent du faisceau atomique chaud résultant. Le faisceau ralenti est alors capturé dans un piège magnéto-optique (PMO), dans lequel nous avons capturé 8x108 atomes.Dans le troisième chapitre une étude originale du refroidissement Doppler tridimensionnel dans un PMO et une mélasse désaccordée vers le rouge de la transition atomique est discutée. L’atome d’Hélium métastable est unique et ses propriétés ont permis une telle étude. En effet, les faibles densités atomiques impliquent qu’il n'y a pas de diffusion multiple de photons d’une part, et la faible masse et la faible largeur de la transition 23S1 -> 23P2 rend inefficace les processus de refroidissement sous la limite Doppler. Ces conditions nous ont permis d’observer pour la première fois à trois dimensions un gaz refroidit dans le régime Doppler.Le quatrième chapitre présente une étude sur les collisions dans un piège magnéto-optique d’Hélium métastable. Les collisions Penning induites par la lumière, en particulier à des intensités élevées et à des fréquences proches de la fréquence de transition, sont responsables de pertes élevées d’atomes piégés. Nous mesurons le coefficient de taux associé à ces pertes, Ksp = 2,8 ± 0,4 x 10-7cm3/ s.
Cette these etudie deux caracteristiques de l'helium importantes pour le refroidissement radiatif. Dans une premiere partie, on mesure le taux de pertes a deux corps dans un piege magneto-optique d'helium metastable. Ces pertes, accentuees en presence d'une irradiation quasi-resonante, sont principalement dues aux collisions ionisantes entre deux atomes d'helium metastable. On mesure le taux de pertes en etudiant l'evolution du nombre d'atomes dans le piege magneto-optique par observation de la fluorescence des atomes ou des ions produits par les collisions. Nous etudions aussi les variations de ce taux en fonction du desaccord des lasers piege. La deuxieme partie de la these est consacree a la description des experiences nous ayant permis de mesurer les taux de transition des raies interdites 2 3p 1-1 1s 0 et 2 3p 2-1 1s 0 de l'helium. Ces transitions limitent les performances des experiences de refroidissement radiatif. En effet, les atomes excites de l'etat metastable vers l'etat 2 3p 1 ou 2 3p 2 par les lasers de refroidissement peuvent se desexciter vers le niveau fondamental. Ils sont alors perdus pour la suite des experiences. Dans une premiere experience nous mesurons le taux de transition de 2 3p 1-1 1s 0 en excitant avec un laser une petite fraction d'atomes contenus dans un piege magneto-optique d'helium metastable vers l'etat 2 3p 1. On observe une baisse de la duree de vie du piege magneto-optique qui est la signature de la fuite des atomes vers l'etat fondamental. Dans une deuxieme experience, nous mesurons le rapport des taux de transition de 2 3p 2 et 2 3p 1 vers 1 1s 0 en effectuant le rapport des flux de photons uv emis par atome se desexcitant par l'une et l'autre des deux transitions interdites. D'apres la premiere experience, nous en deduisons le taux de transition de 2 3p 2 -1 1s 0. La determination independante de ces taux par estimation du flux absolu de photons uv emis par les atomes est compatible avec les resultats des deux premieres experiences.
Nous presentons dans ce memoire la realisation experimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'helium metastable 23S12^3S_123S1​ 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±8)a=(16\pm8)a=(16±8) nm.
Nous présentons dans ce mémoire la réalisation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable 23S12^3S_123S1​ 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±8)a=(16\pm8)a=(16±8) nm.
Ce manuscrit décrit les expériences menées sur le montage "hélium métastable" de 1998 à 2008. Dès mon arrivée à l'Institut d'Optique, nous avions décidé de nous lancer dans la course de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Cet atome a en effet un atout : sa métastabilité. Son énergie interne de 20 eV est suffisamment grande pour que cet atome puisse être détecté électroniquement de façon très efficace par une galette de micro-canaux ; il est ainsi possible de faire du comptage d'atomes uniques, d'où la thématique optique atomique quantique. De plus, la probabilité d'avoir une ionisation lors d'une collision entre deux ou trois atomes d'hélium métastable est assez importante aux densités atomiques auxquelles nous travaillons. Les ions produits, détectables par la même galette permettent d'avoir un diagnostic in situ original de la densité atomique. On peut chronologiquement distinguer trois périodes. De 1998 à 2004 nous avons obtenu le condensat et étudié ces propriétés collisionnelles. De 2004 à 2007 nous avons mesuré les propriétés de corrélation à deux corps des nuages au-dessus ou en dessous de la dégénérescence quantique, suite à une amélioration de notre système de détection. Depuis 2006, nous avons commencé une nouvelle thématique portant sur l'optique atomique quantique et une première expérience sur la création de paires d'atomes a déjà eu lieu.
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.
Ce mémoire rapporte les résultats de plusieurs expériences mettant en jeu des nuages ultra-froids d'hélium métastable. Deux thématiques différentes sont abordées au cours de cette thèse : l'optique atomique quantique et l'étude des propriétés collisionnelles inter-spin. Les premières études présentées ont été réalisées sur un ensemble de paires d'atomes corrélés créé par collision entre deux condensats de Bose-Einstein. Ce processus peut être vu comme un analogue de la conversion paramétrique en optique photonique quantique. Une étude fine des propriétés géométriques du halo de collisions a indiqué une déformation de celui par rapport à la forme sphérique attendue pour une collision en onde S. Nous avons montré que cet effet tire son origine de l'interaction entre atomes et de la dynamique du processus. Par ailleurs, l'étude statistique de ces paires d'atomes corrélés a permis de mettre en évidence une réduction des fluctuations sous le bruit de grenaille de la différence du nombre d'atomes entre deux zones opposées. Ce résultat est un nouvel indice sur la nature des états quantiques créés qui présentent très certainement un réel intérêt dans l'interférométrie atomique et la violation d'inégalités de Bell avec des atomes neutres. Nous décrivons également le piège optique qui a été mis en place et utilisé pour une partie de ces expériences et dont les caractéristiques permettent d'utiliser au mieux notre détecteur d'atomes uniques. Nous avons pu, à l'aide de ce dispositif, mesurer les stabilités relatives de certains états de spin de l'hélium métastable et prouver qu'il est possible de mener des expériences sur des mélanges de spins selon certaines conditions.