Le principal défaut de la géométrie présentée ici est la présence d’un épaulement d’une électrode RF au niveau de la zone de piégeage. Celui-ci a été réalisé pour obtenir une rotation du pseudo-potentiel. Cependant son effet est très limité (le pseudo-potentiel est tourné de 4.5◦). Il crée une contribution du pseudo-potentiel suivant l’axe z qu’il est préférable d’éviter pour éviter le micro-mouvement sur cet axe. Le confinement suivant z peut être parfaitement effectué par les potentiels statiques.
Une autre proposition est de séparer l’électrode RF en deux électrodes distinctes. On peut ensuite créer l’asymétrie nécessaire à la rotation du potentiel total en superposant une tension statique différente sur chaque électrode RF [127].
4.5
Conclusion
Dans ce chapitre j’ai présenté brièvement le calcul analytique du poten- tiel total généré au dessus d’un micro-piège à ions. J’ai ensuite présenté les différentes caractéristiques à prendre en considération lors de l’élabo- ration d’un dessin de piège. J’ai finalement montré comment prendre ces paramètres en compte dans le dessin, ainsi que les contraintes techniques
rencontrées. J’ai finalement présenté les résultats de la modélisation dans le cas d’un échantillon piégeant les ions à 77 µm de la surface.
Piège surfacique sur carte de circuit imprimé
Dans ce chapitre je présente le premier piège surfacique testé avec succès dans l’équipe. Il a des dimensions plus importantes que ceux présentés dans
Figure 5.1 – Photographie d’un cristal de Coulomb contenant environ 104ions strontium obtenu avec un piège planaire réalisé sur carte de circuit imprimé. On peut distinguer l’image de l’ensemble d’ions réfléchie par les électrodes dorées du piège. La longueur du cristal est de 2.5 mm environ.
le chapitre précédent pour faciliter les premières expériences de piégeage au dessus d’une surface. Je décrirai le dispositif, montrerai l’accord obtenu entre les simulations et les mesures.
Je présenterai dans la dernière partie une réalisation originale obtenue avec ce piège : la réalisation de gros cristaux de coulomb à deux dimensions.
Ce type de piège, fabriqué sur carte électronique, a été réalisé par une équipe du MIT dès 2007 [128, 129]. Cependant l’observation de grands cristaux de Coulomb n’a pas été rapportée, vraisemblablement à cause de champs parasites mal compensés [128] ou à cause de la géométrie particulière utilisée [129].
5.1
Présentation du dispositif
5.1.1 Géométrie
Une photo du piège décrit dans ce chapitre sur son support est présentée sur la figure 5.2. Une vue détaillée de sa géométrie est présentée figure 5.3. La géométrie des électrodes donne une hauteur de piégeage nominale d’environ 500 µm au dessus de la surface. Il a été dessiné puis réalisé à la manière des circuits imprimés industriels standards en utilisant une gravure chimique pour séparer les électrodes en cuivre qui ont ensuite été plaquées par une couche d’or électrolytique sur une épaisseur de l’ordre du micromètre, pour avoir un matériau plus inerte et ne s’oxydant pas en surface. Ce type de procédure est disponible chez la plupart des fabricants de cartes électroniques. Le substrat est une carte standard en FR41 d’épaisseur 330 microns. Ce matériau a prouvé être compatible ultra-vide et supporte des étuvages jusqu’à 150◦C [121]. La géométrie du piège est similaire à celle considérée jusqu’à présent dans ce manuscrit (voir figure 4.1 page 90).
5.1.2 Paramètres théoriques d’utilisation
Ce piège été utilisé avec une fréquence RF de 6.9 MHz, et une tension typique de 250 V pic-pic (125 V d’amplitude). Les tensions des autres électrodes ont été calculées en utilisant la méthode décrite dans le chapitre précédent. Trois exemples de configuration de piégeage sont représentés dans la figure 5.4 sous forme de section du potentiel total dans le plan (x, y), 1. résine époxy renforcée de fibres de verre utilisée pour la fabrication des circuits imprimés.
Figure 5.2 – Photographie du piège sur carte de circuit imprimé sur son support. On peut distinguer les connexions électriques amenant les tensions de l’extérieur et se connectant au piège via une grille de 9 vis sur une pièce isolante en macor (en blanc). Les vis assurent le contact électrique avec le piège grâce à des ressorts, positionnés en bout de vis, qui appuient sur des pastilles de la carte. Une vue détaillée de la zone de piégeage est présentée sur la figure 5.3.
Figure 5.3 – Photographie du piège à ions réalisé sur carte FR4 par des techniques standards de fabrication de circuits imprimés. La dimension suivant x des pistes centrales est de 500 µm. Les espaces inter-piste sont de 200 µm. Pour minimiser le couplage de la RF sur les électrodes statiques, des condensateurs de filtrage (10 nF) ont été connectés par micro-câblage (wire bonding ) entres les électrodes portées aux tensions statiques et la
correspondant à différentes valeur d’anisotropies ωx/ωy. Les fréquences
propres d’oscillation et les paramètres de stabilité calculés dans chaque cas, pour différentes valeurs d’anisotropies ωx/ωy sont aussi discutés dans la
légende de la figure. 0 300 504 700 - 200 0 200 - 200 0 200 - 200 0 200 (a) (b) (c) x µm x µm x µm y µm
Figure 5.4 – Coupes du potentiel total dans le plan (x, y), à z = 0 (au niveau de la zone de piégeage) pour trois configurations différentes. Dans chacun des cas, la distance de l’ion à la surface du piège est de 504 µm, et les paramètres de stabilité sont qx= 0.173, qy= −0.171 et qz= 0.002 (pour une fréquence RF de 6.9 MHz, et une tension de 250 V pic-pic). Les paramètres calculés sont : (a) Configuration isotrope : ωx= 408 kHz,
ωy = 404 kHz, ωz= 156 kHz pour une profondeur de 38 meV (profondeur
mesurée graphiquement entre la position de piégeage et le point de fuite necessitant le moins d’énergie à l’ion pour sortir du piège) (b) Configuration anisotrope parallèle ωx< ωy : ωx= 266 kHz, ωy= 529 kHz, ωz= 39 kHz pour une profondeur de 141 meV (c) Configuration anisotrope orthogonale ωx> ωy: ωx= 474 kHz, ωy= 297 kHz, ωz= 197 kHz pour une profondeur de 13 meV. Des images expérimentales de cristaux de Coulomb obtenus dans les deux dernières configurations sont représentées dans les figures 5.13 et 5.14.
5.1.3 Alignement des faisceaux lasers
L’alignement des faisceaux est une opération délicate : il faut arriver à focaliser dans la zone de piégeage d’une centaine de microns de coté, trois faisceaux superposés. Cette opération est facilitée par la présence du piège planaire : en observant la forme du faisceau sur le piège et en sortie d’enceinte ultra-vide, on peut récupérer des indices nous informant sur la qualité de l’alignement. On procède de la façon suivante :
Figure 5.5 – Schéma de la propagation d’un faisceau au dessus d’un micro-piège. En sortie d’enceinte, lorsque le faisceau est parfaitement aligné parallèlement au piège, on doit observer un disque progressivement tronqué en haut et en bas de façon symétrique lorsqu’on le baisse parallèlement au piège. La partie tronquée supérieure doit être remplacée par la réflexion d’une partie du faisceau sur le piège (réflexion représentée en couleur plus foncée). Le rectangle jaune représente le piège.
(atténué), sans la dernière lentille de focalisation (voir schéma 3.13 page 64). On aligne ce faisceau parallèle au piège, en le faisant passer par la zone de piégeage. La diffusion sur le piège (observée avec la caméra orientée suivant y) nous permettent de réaliser cette opération ;
— on place la dernière lentille perpendiculaire au faisceau en le faisant passer par son centre. Bouger cette lentille verticalement (selon y) permet de translater le faisceau verticalement en le gardant parallèle au piège (une vis micrométrique facilite cette opération) ;
— on essaye d’obtenir la forme de faisceau présentée figure 5.5. Sui- vant l’écart obtenu au schéma, on sait comment doit être bougé le faisceau : par exemple si le faisceau n’est pas tronqué de façon symétrique, cela signifie que le waist n’est pas au centre du piège, ou que le faisceau n’est pas parallèle au piège ;
— on repère la position ou exactement la moitié du faisceau est réfléchie qui identifie l’alignement du centre du faisceau sur la surface du piège ;
— grâce à la vis micrométrique, on sur-élève le faisceau de 500 microns par rapport à la surface du piège ;
en amont de l’enceinte ultra-vide ;
— lorsque toutes ces opération ont été correctement effectuées, l’ali- gnement est généralement suffisant pour créer et refroidir des ions ; — à partir de la configuration où les faisceaux sont superposés, on
déplace le faisceau à 1092 nm parallèlement à lui même, tout en le gardant focalisé sur les ions ;
— on positionne la caméra de monitoring des faisceaux au croisement des deux faisceaux de refroidissement ;
— on superpose à nouveau les trois faisceaux.
La conservation au jour le jour de l’alignement peut être effectuée en suivant l’évolution de la position des faisceaux sur la caméra de monitoring ; elle permet également d’obtenir le profil des faisceaux.