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Self-oscillating clouds in magneto-optical traps

Marius Gaudesius

Published Apr 21, 2021• 2 citations
Publisher

Abstract

Nuages auto-oscillants dans des pièges magnéto-optiques Dans cette Thèse, nous étudions les aspects fondamentaux des nuages atomiques auto-oscillants dans un grand piège magnéto-optique (MOT, de l’anglais Magneto-Optical Trap) équilibré. Ces instabilités présentent des analogies avec des systèmes astrophysiques tels que les étoiles variables (Céphéides), dont les auto-oscillations dépendent de la pression de radiation et de la gravitation, ainsi que des systèmes technologiques tels que les plasmas confinés, où des auto-oscillations peuvent survenir en raison des interactions entre les particules de plasma et le champ magnétique de confinement. Nous commençons par une étude expérimentale des instabilités dans un MOT équilibré, en étudiant d'abord le comportement du seuil d'instabilité par rapport à divers paramètres du MOT, y compris le gradient de champ magnétique, le nombre d'atome et l'intensité laser. Nous procédons ensuite à l'étude des propriétés spatio-temporelles du régime instable et identifions des régimes d'instabilité distincts. Différentes techniques d'analyse sont employées qui permettent d’identifier les modes d'oscillation du nuage dans chacun de ces régimes. Nous étudions également le comportement des distributions des tailles des structures spatiales qui se développent dans le nuage. Dans une approche théorique, nous développons un modèle cinétique 3D pour le MOT en prenant en compte les interactions entre atomes et l'utilisons avec succès dans des simulations numériques de nos instabilités. Nous trouvons des accords qualitatifs avec les seuils d'instabilité issus des expériences et prédisons les régimes d'instabilité obtenus expérimentalement. Nous étudions l’impact des ingrédients physiques de notre modèle sur les instabilités, afin de faciliter la compréhension de la physique complexe à l’œuvre. Enfin, nous montrons un résultat numérique préliminaire pour une instabilité dans un MOT désaligné, observée expérimentalement, démontrant ainsi que notre outil numérique peut être utilisé au-delà du MOT équilibré.

DOI
10.70675/409437a5ze56az493ezae6ez40d60f0590ca

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Nuages auto-oscillants dans des pièges magnéto-optiques Dans cette Thèse, nous étudions les aspects fondamentaux des nuages atomiques auto-oscillants dans un grand piège magnéto-optique (MOT, de l’anglais Magneto-Optical Trap) équilibré. Ces instabilités présentent des analogies avec des systèmes astrophysiques tels que les étoiles variables (Céphéides), dont les auto-oscillations dépendent de la pression de radiation et de la gravitation, ainsi que des systèmes technologiques tels que les plasmas confinés, où des auto-oscillations peuvent survenir en raison des interactions entre les particules de plasma et le champ magnétique de confinement. Nous commençons par une étude expérimentale des instabilités dans un MOT équilibré, en étudiant d'abord le comportement du seuil d'instabilité par rapport à divers paramètres du MOT, y compris le gradient de champ magnétique, le nombre d'atome et l'intensité laser. Nous procédons ensuite à l'étude des propriétés spatio-temporelles du régime instable et identifions des régimes d'instabilité distincts. Différentes techniques d'analyse sont employées qui permettent d’identifier les modes d'oscillation du nuage dans chacun de ces régimes. Nous étudions également le comportement des distributions des tailles des structures spatiales qui se développent dans le nuage. Dans une approche théorique, nous développons un modèle cinétique 3D pour le MOT en prenant en compte les interactions entre atomes et l'utilisons avec succès dans des simulations numériques de nos instabilités. Nous trouvons des accords qualitatifs avec les seuils d'instabilité issus des expériences et prédisons les régimes d'instabilité obtenus expérimentalement. Nous étudions l’impact des ingrédients physiques de notre modèle sur les instabilités, afin de faciliter la compréhension de la physique complexe à l’œuvre. Enfin, nous montrons un résultat numérique préliminaire pour une instabilité dans un MOT désaligné, observée expérimentalement, démontrant ainsi que notre outil numérique peut être utilisé au-delà du MOT équilibré.
Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique.
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Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu­ mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro­ pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten­ tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu­ mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro­ pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten­ tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.
Un modele theorique, recemment propose pour expliquer les instabilites dans un PMO, a ete repris et ameliore, avec la prise en compte plus rigoureuse de la dynamique de l'absorption dans le nuage atomique. On demontre l'existence de valeurs des parametres qui provoquent l'apparition d'un regime d'instabilites deterministes, se manifestant sous la forme d'oscillations periodiques auto-entretenues des variables physiques; l'observation experimentale d'un tel regime dans la dynamique du PMO est aussi decrite. Il s'agit, a notre connaissance, de la premiere observation d'instabilites deterministes dans un systeme atomique.