Chargement à l’aide de la désorption assistée par la lumière . 50

La plupart des expériences d’atomes froids manipulant le sodium7 chargent un piège magnéto-optique avec des atomes provenant de ralentisseurs Zeeman [86]. 7. Par exemple les groupes de C.Raman à Atlanta, USA ; P.D.Lett au NIST Maryland, USA ; W.Ketterle au MIT, USA ; P.Van Der Straten à Urtrecht, Pays-bas (liste non-exhaustive).

2.2. Piège magnéto-optique 51

Cette technique mène à des PMO contenant des nombres d’atomes élevés, de l’ordre de 1010, donc a priori favorables. Néanmoins, les champs magnétiques élevés créés par un ralentisseur Zeeman sont incompatibles avec un blindage magnétique. Nous avons opté pour un autre type de source atomique. Les atomes de sodium pro-viennent de dispensers8 chauffés par un courant électrique. Dans ces dispensers, une réaction de réduction d’un oxide de sodium est activée grâce à la chaleur dégagée par la traversée d’un courant. À cause de la faible pression de vapeur saturante de sodium, ces atomes se collent sur les parois de l’enceinte, restaurant ainsi des conditions d’ultravide une fois les dispensers éteints. La restauration du vide ini-tial nécessite quelques secondes, pendant lesquelles les atomes piégés subissent des collisions avec les atomes “chauds” de la vapeur résiduelle. Ce facteur de pertes est rédhibitoire pour la suite de la séquence expérimentale, et il faut par conséquent s’en affranchir.

Une méthode alternative consiste à provoquer la désorption des atomes adsorbés sur les parois de la chambre en les éclairant avec de la lumière ultraviolette. Nous utilisons des diodes électroluminescentes (DELs) de puissance émettant à 370 nm9. Avec cette désorption induite par la lumière (en anglais LIAD : “Light-Induced Ato-mic Desorption”) que notre équipe a étudiée en détail dans [61], la pression partielle de sodium augmente fortement dans la chambre, ce qui rend possible le chargement d’un PMO comportant autant d’atomes qu’en utilisant les dispensers. L’avantage de cette méthode réside dans le contrôle quasi-instantané de la pression de sodium dans la chambre, qui chute en moins de 100 ms aussitôt ces DELs éteintes.

Dans l’article [61], l’équipe a étudié la dépendance du taux de chargement ainsi que du nombre d’atomes chargés dans le PMO en fonction du courant traversant les DELs. Avec les paramètres du PMO (donnés dans la section 2.2.4) et deux DELs parcourues par chacune par un courant IDEL = 0.7 A, nous chargeons un PMO de 2 × 107 atomes à une température ∼ 200 µK, avec une constante de temps de ∼ 6 sec. Une partie de l’article a consisté dans l’étude du retour à la pression résiduelle dans la chambre après extinction de la lumière de désorption. Comme cette partie de notre dispositif expérimental a déjà fait l’objet d’une description détaillée dans le manuscrit de thèse d’Emmanuel Mimoun [58], nous donnerons à titre d’illustration seulement la courbe caractéristique du chargement du PMO en figure 2.4(a). Sur cette courbe, nous représentons les résultats de deux expériences : entre t = 0 s et t = 12 s, nous chargeons le PMO à partir de la pression correspondant à IDEL = 0.7 A, pour t > 12 s, nous éteignons les DELs mais gardons les faisceaux laser et le champ magnétique allumés. La différence entre la durée de chargement (τ = 6 s) et la durée de vie du PMO après extinction des DELs (τ = 27 s) marque le changement de pression de sodium dans la chambre entre les deux parties de l’expériences. Dans la figure 2.4(b), nous montrons le montage d’une paire de DELs sur un hublot de notre chambre. Peu après la publication de notre article traitant de la LIAD, une autre équipe travaillant avec du sodium dans une expérience en cellule de Pyrex a trouvé des résultats similaires aux nôtres [87].

8. Alvatec GmbH, Althofen, Autriche. 9. Nichia Corporation, Tokyo, Japon.

52 magnéto-optique et le chargement d’un piège dipolaire Time t [s] N u m b er o f at o m s in th e M O T a. LED Off 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 0.5 1 1.5 2 Nom bre d ′ atomes dans le PMO [10 7 ] temps [s] LEDs ´eteintes τ = 6 s τ = 27 s (a) (b)

Figure 2.4 – (a) Chargement et durée de vie du PMO avec un courant de IDEL = 0.7 A par DEL. (b) Montage d’une paire de DELs sur la chambre. Pendant les séquences expérimentales, elle est en contact avec le hublot, ce qui n’est pas le cas ici. Nous l’avons montée sur un dissipateur thermique.

La désorption assistée par la lumière représente une méthode efficace pour char-ger des pièges magnéto-optiques, mais elle dépend fortement des propriétés des sur-faces de la cellule, de sa géométrie, ainsi que des performances des pompes à vide. En étudiant la littérature [87, 88, 89, 90], nous remarquons que seules les expériences utilisant des surfaces à base de silice ont pu parvenir à une désorption efficace. Dans notre dispositif expérimental, ce sont les deux brides rentrantes avec des hublots de 5 cm de diamètre chacun qui semblent être les principales surfaces participant à la désorption.

2.3 Chargement d’un piège dipolaire croisé à

par-tir du piège magnéto-optique

Les densités atomiques et températures atteintes dans un PMO ne permettent pas d’aboutir à la dégénérescence quantique, c’est-à-dire un point où la densité dans l’espace des phases D (voir equation (1.9)) devient de l’ordre de l’unité. Dans un PMO, D est plutôt de l’ordre de 10−6 − 10−5. Néanmoins, d’autre méthodes ex-périmentales existent pour piéger des atomes en s’affranchissant des mécanismes de chauffage du PMO. L’une d’entre elle consiste à tirer partie de l’interaction dipolaire d’un atome avec un champ électromagnétique très désaccordé par rapport aux tran-sitions d’absorption. Lorsque le couplage dipolaire est suffisamment fort, l’atome ressent une force dérivant d’un potentiel capable de le confiner spatialement : on parle alors de piégeage dipolaire. Depuis 1980, des expériences de piégeage d’atomes neutres ont été réalisées en utilisant cette interaction [91, 92]. Avec des lasers com-merciaux, offrant des puissances de l’ordre de quelques dizaines de W, que l’on focalise à des tailles de quelques dizaines de microns, les profondeurs typiques des

2.3. Chargement d’un piège dipolaire croisé à partir du piège

magnéto-optique 53

potentiels dipolaires qu’il est possible de réaliser sont de l’ordre de ∼ kB × 1 mK. Le confinement d’atomes dans un piège dipolaire n’est possible qu’avec des atomes pré-refroidis dans un PMO, pour que l’énergie par atome soit inférieure au poten-tiel dipolaire. Les atomes peuvent également être confinés à l’aide d’un gradient de champ magnétique [93], via le couplage avec leur moment magnétique. Cependant, deux états de spins opposés ne pouvant pas être piégées simultanément dans de tels pièges, cette solution n’a pas été envisagée dans notre expérience.

Dans cette partie, nous donnerons d’abord l’expression de l’interaction dipolaire entre un atome de sodium et un laser hors-résonant focalisé, en introduisant la notion de déplacement lumineux et en montrant la modification de ces déplacements avec l’état hyperfin et magnétique de l’atome. Puis nous en viendrons à la description du montage expérimental et enfin l’optimisation du transfert des atomes du PMO vers le piège dipolaire.