Etude de l’interaction Casimir-Polder entre un atome et une surface
thermiquement ´emissive 22
2.7 Conclusion
Dans ce chapitre, on a d´ecrit, en r´egime de champ proche, l’interaction Casimir-Polder entre surface et atome induit un d´eplacement d’´energie et une possible modification corr´el´ee dans le taux de d´esexcitation atomique, avec toujours une d´ependance spatiale en z−3, incluant une interaction atome-surface, qui se comporte comme C3.z−3 pour le d´eplacement d’´energie et Γ3.z−3 pour la modification de la dur´ee de vie atomique.
L’interaction atome-surface est r´esonnante quand une des fr´equences de transition ato-mique, la r´eponse de surface, en ε(ωna)−1
ε(ωna) + 1, est r´esonnante, c’est-`a-dire si pour la grandeur complexe,ε(ωna), on aε(ωna)≈ −1. Dans ce cadre de l’interaction vdW r´esonnante, le co-efficient de vdW peut changer de signe, passant d’une valeur positive `a une valeur n´egative et la surface peut induire localement un fort transfert d’un ´etat `a un autre. Ces effets, qui ne s’observent que pour une ´emission atomique si la surface est `a temp´erature nulle, deviennent observables pour un couplage atomique en absorption si la surface elle-mˆeme est suffisamment excit´ee thermiquement.
CHAPITRE 3
CRIT`ERES DE CHOIX POUR LA
SURFACE ET LE NIVEAU ATOMIQUE :
INTERACTION CASIMIR-POLDER
R´ESONNANTE ENTRE UN ATOME ET
UNE SURFACE
Dans ce chapitre, nous commen¸cons par un r´esum´e de l’histoire de notre ´equipe sur les mesures de l’interaction Casimir-Polder en champ proche entre l’atome et la sur-face jusqu’`a l’interaction r´esonnante, en montrant aussi les r´esultats exp´erimentaux des effets thermiques sur le coefficient de vdW (3.1). Dans la section suivante, nous analy-sons de nouvelles mesures d’´emissivit´e effectu´ees par le CEMHTI sur des ´echantillons tout `a fait identiques `a ceux que nous avons utilis´es sur nos exp´eriences, pour ´evaluer pr´ecis´ement la constante di´electrique en fonction de la temp´erature, et en tenant compte de la bir´efringence du saphir (3.2). Enfin, nous pr´esentons nos pr´edictions pour le coeffi-cient de vdWC3 (3.3) et pour la dur´ee de vie Γ3 (3.4), en fonction de la temp´erature, pour les niveaux 7P1/2 et 7P3/2 du c´esium, compte tenu des nouvelles mesures de la constante di´electrique du mat´eriau, et en comparant avec d’autres valeurs de la litt´erature. Rap-pelons que l’interaction vdW pour le niveau Cs 7P3/2
(avec quelques r´esultats pour le niveau Cs 7P1/2) a ´et´e d´ej`a ´etudi´ee ant´erieurement [3, 28, 49], mais les effets de temp´erature n’avaient pas ´et´e pris en compte.
Crit`eres de choix pour la surface et le niveau atomique : Interaction
Casimir-Polder r´esonnante entre un atome et une surface 24
3.1 R´esum´e des r´esultats pr´ec´edents de l’´equipe SAI
du LPL-UP13 sur l’interaction Casimir-Polder en
r´egime de champ proche entre atome de c´esium
et surfaces dispersives
Les premi`eres exp´eriences pour mesurer le d´eplacement d’une transition atomique par l’interaction atome-surface ont ´et´e faites dans les ann´ees 90, o`u l’´etude avait ´et´e r´ealis´ee sur la raie D2 du c´esium (transition 6S1/2 →6P3/2 avec λ= 852 nm) [3,32] et la raie de la deuxi`eme r´esonance du c´esium [3,49] (transition 6S1/2 →7P1/2,7P3/2 avecλ = 459 nm etλ= 455 nm).
En 1995 [5] les ´etudes de l’interaction atome-surface ont ´et´e poursuivies th´eoriquement pour le cas d’un atome excit´e interagissant avec une surface caract´eris´ee par ε(ω) (ici, di´electrique dispersif). Ce travail analyse l’´evaluation du d´eplacement d’´energie pour le syst`eme Cs 7P3/2/saphir, pour lequel il y avait d´ej`a des r´esultats exp´erimentaux [3], en utilsant pour le saphir un ´etude r´ealis´ee par A. S. Barker Jr. [50]. Il s’agissait de d´eterminer l’efficacit´e (“coefficient d’image”) du saphir pour un couplage (vers Cs (6D)), o`u le saphir n’est plus du tout un di´electrique transparent. En outre, de mani`ere th´eorique, l’interaction de vdW Cs 6D3/2 et une surface de saphir a ´et´e abord´ee, pr´evoyant une r´epulsion sur l’interaction atome-surface. En effet, ce niveau du c´esium a une transition dipolaire, en ´emission vers le niveau 7P1/2 (λ = 12,15 µm), qui est quasi-co¨ıncidente avec le mode de polariton de la surface de saphir, de telle fa¸con que l’interaction vdW peut ˆetre exalt´ee. En plus de ce syst`eme Cs 6D3/2/saphir, d’autres syst`emes avec une interaction atome-surface r´esonnante ont ´et´e ´etudi´es dans l’´equipe [47] (Cs 6D3/2/YAG, Rb 6D3/2/saphir, Rb 6D3/2/YAG).
Exp´erimentalement, `a la fin des ann´ees 90, cette r´epulsion g´eante a ´et´e d´emontr´ee par H. Failacheet al[15], en sondant le niveau Cs 6D3/2, mais les effets de temp´erature n’ont pas ´et´e pris en compte. `A l’´epoque, la correction en temp´erature n’a pas ´et´e cherch´ee sur l’´evaluation de C3, d’autant que la temp´erature de la cellule ´etait limit´ee.
Les effets de temp´erature ont ´et´e d’abord recherch´es par un syst`eme d’interaction Cs 8P3/2/CaF2 [51] (en th´eorie, le syst`eme Cs 8P3/2/CaF2 n’est pas tr`es r´esonnant,
Crit`eres de choix pour la surface et le niveau atomique : Interaction
Casimir-Polder r´esonnante entre un atome et une surface 25
1 0 1 5 2 0 2 5 - 8 - 4 0 4 8 1 2 1 0 , 8 µm 1 2 , 1 5 µm
R
e
[(
ε−
1
)/(ε
+1
)
]
λ (µm )
1 4 , 6 µmFigure 3.1: Partie r´eelle de la r´eponse de la surface de saphir d’apr`es les donn´ees de
la constante di´electrique issues de la r´ef´erence [50]. Les marqueurs pour les couplages 6D3/2 → 7P1/2 (λ = 12,15 µm), 7P3/2 → 6D5/2 (λ = 14,6 µm) et 7D3/2 → 5F5/2 (λ = 10,8µm) sont ´egalement montr´es.
mais permettait des temp´eratures raisonnablesT ≈300−500 K). N´eanmoins, les r´esultats exp´erimentaux du coefficient de vdW sont constants en fonction de la temp´erature, et il semble que ce soit en raison des r´eactions chimiques entre le c´esium et la surface de CaF2 : la nature de cette surface avait ´et´e significativement affect´ee, ce qui changeait consid´erablement les r´esonances de la surface. Il avait aussi ´et´e pr´edit que les effets de temp´erature donnent lieu `a un changement notable de l’interaction atome-surface (passant d’une interaction attractive pour une r´epulsive `a des temp´eratures mod´er´ees), pour le syst`eme quasi-´equivalent Cs 8P3/2/BaF2[52]. Cependant, BaF2 pr´esente des contraintes techniques tr`es d´elicates.
Grˆace `a une cellule de saphir, qui supporte des temp´eratures de∼1200 K construite en Arm´enie (puis grˆace `a une nouvelle arm´enienne d´ecrite sur le chapitre (5)), l’´equipe a pu observer exp´erimentalement les effets de temp´erature pour le d´eplacement d’´energie sur l’interaction vdW [27], pour le niveau 7D3/2 du c´esium. Dans cette exp´erience, effectu´ee sur la transition 6P1/2 → 7D3/2, partant d’un niveau pr´ealablement pomp´e, le couplage le plus important pour l’interaction atome-surface est l’absorption virtuelle, 7D3/2 →
Crit`eres de choix pour la surface et le niveau atomique : Interaction
Casimir-Polder r´esonnante entre un atome et une surface 26
exp´erience, r´ealis´ee entre 500 K et 1000 K, montre une augmentation importante du C3
avec la temp´erature, et mˆemes aux plus basses temp´eratures ´etudi´ees, les r´esultats sont sup´erieurs `a la pr´ediction `aT = 0 K (cf. fig. (3.2)).
Figure 3.2: R´esum´e du r´esultat de l’interaction de vdW pour le syst`eme d’interaction
Cs 7D3/2/saphir. Figure issue de [27].