Jet lent d’atomes d’argon métastable pour l’étude de la diffraction au travers de nanoréseaux et de l’interaction avec des champs magnétiques co-mobiles
Nous présentons un nouveau dispositif expérimental constitué d’un jet lent d’argon métastable pulsé jusqu’à 10 Hz et de vitesse réglable de 10 à 150 m.s-¹. La vitesse des atomes a été mesurée avec une incertitude au pour mille grâce à une technique originale de double hachage optique. Les dispersions des vitesses longitudinales et transverses ont été retrouvées par une simulation de Monte Carlo. Les atomes d’argon métastables dans l’état 3p⁵4s, ³P₂ interagissent par leur moment magnétique avec des impulsions de potentiels co-mobiles magnétiques périodiques dans l’espace, dont le spectre en fréquence est étendu. Des mesures en temps de vol nous ont permis d’observer le ralentissement ou l’accélération des atomes comme le prévoit la modélisation classique et semi-classique. Des variations de vitesse de l’ordre de 10 % de la valeur initiale sont obtenues. La longueur d’onde de de Broglie d’un atome du jet est de l’ordre du nanomètre et se trouve adaptée pour l’étude des interactions atome-surface attractives de Casimir-Polder (potentiel en –C₃/z³, z étant la distance à la surface). Nous disposons de réseaux en transmission en nitrure de silicium de pas a = 100 nm, d’ouverture e = 50 nm et de profondeur L = 130 nm. Les figures de diffraction montrent une enveloppe de grande largeur angulaire qui à basse vitesse, s’écarte considérablement de celle obtenue par la simple modélisation géométrique de l’optique. Elle témoigne de l’importance de l’effet de l’interaction atome-surface cumulé au cours du temps. L’ensemble de nos mesures devrait nous permettre de converger vers des valeurs du coefficient de dispersion de van der Waals C₃ avec une incertitude relative inférieure à 5 %.
Nous présentons un nouveau dispositif expérimental constitué d’un jet lent d’argon métastable pulsé jusqu’à 10 Hz et de vitesse réglable de 10 à 150 m.s-¹. La vitesse des atomes a été mesurée avec une incertitude au pour mille grâce à une technique originale de double hachage optique. Les dispersions des vitesses longitudinales et transverses ont été retrouvées par une simulation de Monte Carlo. Les atomes d’argon métastables dans l’état 3p⁵4s, ³P₂ interagissent par leur moment magnétique avec des impulsions de potentiels co-mobiles magnétiques périodiques dans l’espace, dont le spectre en fréquence est étendu. Des mesures en temps de vol nous ont permis d’observer le ralentissement ou l’accélération des atomes comme le prévoit la modélisation classique et semi-classique. Des variations de vitesse de l’ordre de 10 % de la valeur initiale sont obtenues. La longueur d’onde de de Broglie d’un atome du jet est de l’ordre du nanomètre et se trouve adaptée pour l’étude des interactions atome-surface attractives de Casimir-Polder (potentiel en –C₃/z³, z étant la distance à la surface). Nous disposons de réseaux en transmission en nitrure de silicium de pas a = 100 nm, d’ouverture e = 50 nm et de profondeur L = 130 nm. Les figures de diffraction montrent une enveloppe de grande largeur angulaire qui à basse vitesse, s’écarte considérablement de celle obtenue par la simple modélisation géométrique de l’optique. Elle témoigne de l’importance de l’effet de l’interaction atome-surface cumulé au cours du temps. L’ensemble de nos mesures devrait nous permettre de converger vers des valeurs du coefficient de dispersion de van der Waals C₃ avec une incertitude relative inférieure à 5 %.
Nous présentons un nouveau dispositif expérimental constitué d’un jet lent d’argon métastable pulsé jusqu’à 10 Hz et de vitesse réglable de 10 à 150 m.s-¹. La vitesse des atomes a été mesurée avec une incertitude au pour mille grâce à une technique originale de double hachage optique. Les dispersions des vitesses longitudinales et transverses ont été retrouvées par une simulation de Monte Carlo. Les atomes d’argon métastables dans l’état 3p⁵4s, ³P₂ interagissent par leur moment magnétique avec des impulsions de potentiels co-mobiles magnétiques périodiques dans l’espace, dont le spectre en fréquence est étendu. Des mesures en temps de vol nous ont permis d’observer le ralentissement ou l’accélération des atomes comme le prévoit la modélisation classique et semi-classique. Des variations de vitesse de l’ordre de 10 % de la valeur initiale sont obtenues. La longueur d’onde de de Broglie d’un atome du jet est de l’ordre du nanomètre et se trouve adaptée pour l’étude des interactions atome-surface attractives de Casimir-Polder (potentiel en –C₃/z³, z étant la distance à la surface). Nous disposons de réseaux en transmission en nitrure de silicium de pas a = 100 nm, d’ouverture e = 50 nm et de profondeur L = 130 nm. Les figures de diffraction montrent une enveloppe de grande largeur angulaire qui à basse vitesse, s’écarte considérablement de celle obtenue par la simple modélisation géométrique de l’optique. Elle témoigne de l’importance de l’effet de l’interaction atome-surface cumulé au cours du temps. L’ensemble de nos mesures devrait nous permettre de converger vers des valeurs du coefficient de dispersion de van der Waals C₃ avec une incertitude relative inférieure à 5 %.
La thématique abordée dans cette thèse relève de la manipulation d’un jet d’atomes d’argon métastables (Ar* ³P2) dans différentes configurations. Premièrement, je présente l’échange de métastabilité entre un atome au fondamental et un atome excité à de faibles énergies de centre de masse (entre 4 et 9 meV). Je propose également l’interprétation théorique par une approche semi-classique (approximation JWKB) qui se révèle validée, dans ce domaine d’énergies, en comparaison avec la résolution exacte de l’équation de Schrödinger radiale mettant en jeu les potentiels concernés par la collision. Les sections efficaces absolues d’échanges, déduites d’une analyse en temps de vol du signal métastable, permettent de réaliser une comparaison sans biais avec les prédictions théoriques. Les caractéristiques d’un jet ralenti par effet Zeeman sont dégradées par le processus de ralentissement et le rende difficilement utilisable en deçà de quelques dizaines de mètres par seconde. C’est pourquoi, dans un deuxième temps, je présente la réalisation d’un jet lent original, issu d’un piège magnéto-optique et présentant des caractéristiques remarquables. La vitesse est accordable entre 10 et 100 m/s, la dispersion de vitesse relative est très faible (6 % à 20 m/s) et le flux est conséquent (10⁹ Ar*/s/sr), pour une ouverture angulaire standard (35 mrad FWHM). Ce nouveau dispositif permet de présenter certaines questions d’interférométrie et d’optique atomique telles que les interactions atome-surface de type van der Waals et l’étude de potentiels comobiles ainsi que leurs applications dans la réalisation de milieux d’indice négatif ou de ralentisseurs.
La thématique abordée dans cette thèse relève de la manipulation d’un jet d’atomes d’argon métastables (Ar* ³P2) dans différentes configurations. Premièrement, je présente l’échange de métastabilité entre un atome au fondamental et un atome excité à de faibles énergies de centre de masse (entre 4 et 9 meV). Je propose également l’interprétation théorique par une approche semi-classique (approximation JWKB) qui se révèle validée, dans ce domaine d’énergies, en comparaison avec la résolution exacte de l’équation de Schrödinger radiale mettant en jeu les potentiels concernés par la collision. Les sections efficaces absolues d’échanges, déduites d’une analyse en temps de vol du signal métastable, permettent de réaliser une comparaison sans biais avec les prédictions théoriques. Les caractéristiques d’un jet ralenti par effet Zeeman sont dégradées par le processus de ralentissement et le rende difficilement utilisable en deçà de quelques dizaines de mètres par seconde. C’est pourquoi, dans un deuxième temps, je présente la réalisation d’un jet lent original, issu d’un piège magnéto-optique et présentant des caractéristiques remarquables. La vitesse est accordable entre 10 et 100 m/s, la dispersion de vitesse relative est très faible (6 % à 20 m/s) et le flux est conséquent (10⁹ Ar*/s/sr), pour une ouverture angulaire standard (35 mrad FWHM). Ce nouveau dispositif permet de présenter certaines questions d’interférométrie et d’optique atomique telles que les interactions atome-surface de type van der Waals et l’étude de potentiels comobiles ainsi que leurs applications dans la réalisation de milieux d’indice négatif ou de ralentisseurs.
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 une onde electromagnetique inhomogene, l'effet Stark dynamique agit comme un potentiel sur le mouvement externe d'un atome. Ceci a ete demontre par la reflexion speculaire d'atomes : un jet supersonique d'atomes metastables de neon est reflechi (a incidence rasante) par une surface, sur laquelle est excitee une onde evanescente quasi-resonante avec une transition optique. L'onde evanescente est produite, soit par l'excitation d'un plasmon de surface dans la configuration de Kretschmann, soit en couplant un laser avec un guide d'onde dielectrique. Les deux techniques permettent la reflexion d'atomes ayant des vitesses transverses inferieures a 4. 2 m/s. Cette etude est elargie au cas d'une onde evanescente partiellement stationnaire. Elle fait apparaitre des resonances multiphotoniques dans le potentiel optique (resonances dopplerons). Ce phenomene est explique par un modele theorique base sur la resolution des equations de Bloch optiques. Une approche de type atome habille est aussi en bon accord avec les observations. Finalement, une etude prospective est menee sur le caractere ondulatoire de l'atome dans ce dispositif d'optique atomique. La multiplicite Zeeman de l'etat metastable reflechi par l'onde evanescente permet, en principe, une investigation experimentale de l'interaction de surface de type Van Der Waals. Une methode interferometrique, permettant la mesure de cette phase atomique, est enfin discutee.
Dans cette thèse, on présente un nouveau type de source atomique: un jet superfin d'atomes métastables produit à partir de l'échange de métastabilité au sein d'un jet supersonique d'atomes de gaz rares. On a utilisé les propriétés de cohérence de ce jet pour observer la diffraction de l'hélium, de l'argon et du néon métastables par un nano-réseau par transmission et par des micro-réseaux par réflexion. Ensuite, on a mis en évidence des transitions entre sous niveaux Zeeman du niveau 3P2 du néon métastable, transitions dues au terme quadrupolaire de l'interaction de van der Waals entre l'atome et la surface. Après avoir montré les résultats expérimentaux, nous avons calculé les probabilités de transitions dans le modèle de Landau–Zener puis discuté de l'intérêt des transitions vdW-Zeeman pour l'interférométrie atomique. Enfin, on a décrit le procédé de ralentissement Zeeman du jet supersonique d'argon métastable (3P2) et montré les premiers spectres de temps de vol d'atomes ralentis obtenus.