Les pi`eges dipolaires tr`es d´esaccord´es ayant une profondeur n’exc´edant gu`ere, pour des questions de puissance lumineuse, U/kB ∼1 mK (U/h= 20 MHz) il est n´ecessaire de disposer d’une source d’atomes froids pour leur chargement. Un pi`ege magn´eto-optique produisant un nuage d’atomes `a une temp´erature de l’ordre de 100µK est g´en´eralement utilis´e. La taille d’un pi`ege magn´eto-optique, de l’ordre du millim`etre, exc`ede largement le volume typique du pi`ege dipolaire que nous avons utilis´e, de l’ordre de 50µm3. Le nombre d’atomes charg´es d´epend donc de la densit´e d’atomes au niveau du pi`ege dipolaire. Si le pi`ege est allum´e apr`es la coupure du pi`ege magn´eto-optique, seuls les atomes initialement dans le volume du pi`ege seront pi´eg´es, les autres ayant une ´energie totale trop ´elev´ee, ne sont pas pi´eg´es. Ainsi, les atomes ´etant sur le bord du pi`ege sont perdus. Pour augmenter le nombre d’atomes pi´eg´es, on peut profiter
E
6P3/2
6P1/2
6S1/2
q2 3
√1 3
mJ =−1/2 mJ = 1/2 ωY AG
ωD1
ωD2
0
√1 3
q2 3
0.14ωD1
Figure 2.3: Etats fondamentaux et excit´es du C´esium dans la base fine. Les coefficients´ de Clebsch-Gordan donnent le couplage entre les niveaux de l’´etat fondamental et ceux des ´etats excit´es pour une polarisation lin´eaire. Dans cette situation tout l’´etat fonda-mental est d´ecal´e globalement en ´energie. ωY AG est la fr´equence du laser utilis´e dans cette th`ese.
de la force confinante du pi`ege dipolaire et de la force de friction du pi`ege magn´eto-optique ou d’une m´elasse magn´eto-optique pour accumuler les atomes dans le pi`ege dipolaire.
Ainsi, une m´elasse optique combinant refroidissement Doppler et refroidissement par gradient de polarisation peut ˆetre appliqu´ee sur le pi`ege dipolaire. Dans le cas de potentiels dipolaires importants, le d´ecalage de la transition atomique peut modifier l’´efficacit´e de la m´elasse au centre du pi`ege. Pour le pi`ege que nous avons utilis´e, le d´ecalage ´etant plus faible que la largeur de l’´etat excit´e, cet effet reste faible et une m´elasse peut ˆetre efficace `a l’ext´erieur et `a l’int´erieur du pi`ege. A priori, l’association du potentiel dipolaire confinant et de la force de friction de la m´elasse devrait permettre de charger tous les atomes du pi`ege magn´eto-optique dans le pi`ege dipolaire. Cependant, le nombre d’atomes que l’on peut charger est limit´e par plusieurs ph´enom`enes.
Le premier processus limitant est la r´eabsorption de photons. En effet, dans une m´elasse optique ou un pi`ege magn´eto-optique, les atomes ´emettent des photons spon-tan´es `a un taux ´elev´e. Lorsque le nuage d’atomes devient optiquement dense, ces pho-tons spontan´es sont r´eabsorb´es plusieurs fois avant de quitter le pi`ege. L’effet de recul des atomes `a l’´emission et `a l’absorption des photons engendre une force r´epulsive entre atomes qui s’oppose `a la force confinante du pi`ege[40]. Ce ph´enom`ene limite la densit´e que l’on peut atteindre. D’autre part, si un photon spontan´e est r´eabsorb´e, il d´epose dans le nuage d’atomes un exc`es d’´energie. Ainsi, la temp´erature atteinte qui r´esulte
d’un ´equilibre entre le chauffage dˆu aux photons spontan´es et la force de friction est d’autant plus ´elev´ee que le nombre de r´eabsorptions de photons est important[41, 42].
Cependant, dans le cas d’un pi`ege dipolaire de profondeur beaucoup plus importante que la temp´erature typique d’une m´elasse, la temp´erature des atomes lors du charge-ment influe peu sur le nombre d’atomes charg´es dans le pi`ege.
Enfin, plusieurs m´ecanismes de pertes mettant en jeu 2 atomes limitent aussi la den-sit´e dans une m´elasse. Tout d’abord, dans une m´elasse optique, les atomes sont la plu-part du temps dans le sous niveau hyperfin de l’´etat fondamental de plus grand moment cin´etique et de plus haute ´energie. Pour le Cesium, le taux de collisions in´elastiques induisant un changement de structure hyperfine est important[34]. L’´energie d´egag´ee (9 GHz dans le cas du C´esium) exc`ede la plage de capture de la m´elasse et ces collisions induisent donc des pertes d’atomes. De plus, les collisions entre atomes en pr´esence de lumi`ere peuvent induire des pertes : production de mol´ecules, collisions avec change-ment de structure fine dans l’´etat excit´e et pertes radiatives. Ces derni`eres sont dˆues `a l’acc´el´eration des atomes d’une paire excit´ee sous l’effet du potentiel attractif `a longue port´ee en −1/r3. Apr`es l’´emission spontan´ee, l’´energie cin´etique des atomes peut ˆetre suffisante pour qu’ils quittent la m´elasse[43].
Pour minimiser ces probl`emes, une phase appel´ee phase de contraction est utilis´ee pendant environ 50 ms lors du chargement du pi`ege dipolaire. Cette phase consiste `a modifier les param`etres suivants du pi`ege magn´eto-optique. Tout d’abord, l’intensit´e du laser de refroidissement (proche de la transitionF = 4−→ F′ = 5) est diminu´ee et son d´esaccord est augment´e jusqu`a environ−10Γ. Ainsi les atomes passent moins de temps dans l’´etat excit´e et ´emettent moins de photons spontan´es. De plus, le laser repompeur sur la transition 6S1/2, F = 3→6P3/2, F′ = 4 est lui aussi att´enu´e d’un facteur environ 10 pour augmenter la proportion d’atomes dans l’´etat fondamental |F = 3i. Enfin, le gradient de champ magn´etique est augment´e pour am´elior´e le confinement. Cependant, la densit´e obtenue est limit´ee `a environ 1011atomes par cm3. L’efficacit´e du chargement en fonction de ces param`etres a ´et´e ´etudi´e en d´etail dans [44].
Pour r´eduire les probl`emes de r´eabsorption de photons et de collisions in´elastiques li´es aux m´elasses optiques standard (d´esaccord n´egatif, transition J −→ J + 1), un autre type de m´elasse appel´e m´elasse grise a ´et´e propos´e[45] (d´esaccord positif, transi-tion J −→ J −1). Dans cette m´elasse, les atomes sont pomp´es dans l’´etat hyperfin de plus faible ´energie et passent la plupart de leur temps dans un ´etat non coupl´e `a la lumi`ere. Les temp´eratures atteintes sont, pour des densit´es faibles, trois fois plus faibles que celles des m´elasses standard. De plus, le taux de photons spontan´es ´etant beaucoup plus faible, la r´eabsorption de photons est r´eduite. Des nuages plus denses et plus froids peuvent donc ˆetre obtenus. Une augmentation de la temp´erature avec la densit´e atomique a cependant ´et´e observ´ee. Pour une mˆeme densit´e atomique, la temp´erature atteinte d´epend de la g´eom´etrie ce qui montre que la temp´erature atteinte est limit´ee par la r´eabsorption de photons[46]. 20% des atomes d’une m´elasse grise ont ´et´e charg´es dans un pi`ege dipolaire consitu´e d’un faisceau focalis´e unique[46]. La densit´e obtenue dans le pi`ege dipolaire ´etait de l’ordre de 1013 atomes par cm3 et la
temp´erature ´etait de 5µK. Le nombre d’atomes charg´es dans le pi`ege dipolaire `a l’aide de la m´elasse grise ´etait 5 `a 10 fois sup´erieur au nombre d’atomes charg´es `a partir d’une m´elasse standard[46].