Apr`es le refroidissement ´evaporatif, les atomes sont tous dans l’´etat fondamental |1i. La premi`ere ´etape n´ecessaire avant de pouvoir effectuer une interrogation de Ramsey est de pouvoir exciter de mani`ere contrˆol´ee et coh´erente la transition atomique. Rappelons que la transition d’horloge est une transition `a deux photons, R.F. et micro-onde. Le photon R.F. est coupl´e
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a l’aide du mˆeme fil que celui utilis´e pour l’´evaporation forc´ee, qui met en jeu la transition
|1,−1i → |1,0i, similaire `a |2,0i → |2,1i. Nous avons donc commenc´e par tester la ligne de transmission micro-onde sur les atomes, en induisant la transition |1,−1i → |2,0i.
5.1.1 Micro-onde : pertes `a 1 photon
La transition micro-onde |1,−1i → |2,0i se traduit dans notre dispositif par des pertes atomiques, puisque l’´etat |2,0i est un ´etat non pi´eg´e. Nous avons commenc´e `a travailler dans un pi`ege semblable au pi`ege de refroidissement, de fr´equences simul´ees : (80 Hz, 700 Hz, 700 Hz), et dont le champ minimum mesur´e est d’environ 3,8 G ; ce pi`ege est form´e `a 150µm de la puce.
Nous avons ainsi pu induire des pertes atomiques. La figure 5.1 pr´esente le nombre d’atomes restant dans le pi`ege apr`es une impulsion micro-onde de 12 ms et 5 dBm, en fonction de la fr´equence du signal d’interrogation. On peut ainsi voir trois r´esonances, correspondant aux trois transitions micro-ondes possibles, |1,−1i → |2,−2i,|1,−1i → |2,−1i, et|1,−1i → |2,0i. Ces mesures ont ´et´e effectu´ees `a l’aide d’un synth´etiseur Agilent E8257D, qui nous a permis pour ces mesures pr´eliminaires de balayer une plage de fr´equences plus importante que celle que peut g´en´erer notre chaˆıne micro-onde.
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Chapitre 5. Spectroscopie de la transition d’horloge - r´esultats exp´erimentaux
Fig.5.1 – Pertes atomiques induites par le signal micro-onde lorsqu’on balaye sa fr´equence sur une large gamme.
On visualise ici trois r´esonances, qui correspondent aux trois transitions micro-onde possibles|1,−1i → |2,−2i,
|1,−1i → |2,−1i, et|1,−1i → |2,0i. Cette mesure a ´et´e r´ealis´ee `a l’aide d’un synth´etiseur Agilent E8257D. La puissance micro-onde utilis´ee est de 5 dBm et la dur´ee de l’impulsion 12 ms.
Nous avons ensuite chang´e de pi`ege afin d’avoir un champ magn´etique plus proche du champ magique. Nous avons ´egalement plac´e le nuage plus pr`es de la puce pour faciliter l’excitation de la transition d’horloge. Nous sommes pass´es `a un pi`ege de fr´equences simul´ees (90 Hz, 900 Hz, 900 Hz), de champ minimum mesur´e 3,23 G± 10 mG, pla¸cant le nuage `a 107µm de la puce. Nous avons r´eduit la puissance afin de d´eterminer plus pr´ecis´ement la fr´equence de la transition micro-onde (figure 5.2) avant de la d´esaccorder et d’ajouter le signal radio-fr´equence.
Nous avons ainsi effectu´e une premi`ere spectroscopie grossi`ere de la transition `a 1 photon, avec une largeur `a mi-hauteur inf´erieure `a 100 kHz.
Cette mesure est similaire `a la mesure de champ magn´etique par spectroscopie R.F. pr´esent´ee dans le chapitre pr´ec´edent (figure 4.5). Le profil de raie obtenu n’est pas trivial, puisque le si-gnal utilis´e ne correspond pas exactement `a une impulsion π, mais probablement `a plusieurs oscillations de Rabi. Nous utilisons un profil lorentzien, de mani`ere analogue `a un spectre en absorption, afin de d´eterminer la fr´equence centrale ainsi que la largeur `a mi-hauteur de la raie.
5.1.2 Caract´erisation de la transition `a deux photons Spectroscopie Rabi
Une fois la transition micro-onde observ´ee, l’excitation de la transition `a deux photons est quasiment imm´ediate : on d´esaccorde le signal micro-onde d’environ 500 kHz afin de ne pas transf´erer d’atomes dans l’´etat |2,0i, et on calcule la fr´equence R.F. correspondante. Dans un pi`ege donn´e, on caract´erise l’impulsion d’interrogation `a l’aide de franges de Rabi, afin de d´eterminer les dur´ees et puissances d’interrogation n´ecessaires `a la r´ealisation d’une impulsion π/2. La figure 5.3 pr´esente ainsi des oscillations de Rabi dans un pi`ege de fr´equences simul´ees (50 Hz, 300 Hz, 320 Hz) ; on fait varier la dur´ee de l’impulsion entre 0 ms et 16 ms. On obtient une impulsion π pour τpulse= 3 ms.
On d´etermine ensuite plus pr´ecis´ement la fr´equence de r´esonance en effectuant une
spec-5.1. Couplage du signal d’interrogation 99
Fig.5.2 – Pertes d’atomes induites par la transition `a 1 photon|1,−1i → |2,0i. +++ : la puissance micro-onde est de -12dBm et la dur´ee de l’impulsion de 15ms.×××: la puissance micro-onde est de -18dBm et la dur´ee de l’impulsion de 35ms. La courbe rouge est un ajustement des donn´ees exp´erimentales par une Lorentzienne ; sa largeur `a mi-hauteur est de 75 kHz.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Fig.5.3 – Franges de Rabi de la probabilit´e de transition
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a deux photons. La puissance R.F. est de -24.5dBm et la puissance micro-onde d’environ 2 dBm. Une impulsion π est obtenue pourτpulse = 3 ms. La courbe rouge cor-respond `a un ajustement des donn´ees par une sinuso¨ıde.
6.834676 6.834677 6.834678
Fig.5.4 – Spectroscopie Rabi de la transition d’horloge. On visualise le nombre d’atomes dans l’´etat |2i en fonction de la fr´equence micro-onde + RF. En rouge : ajustement des donn´ees par un sinus cardinal. On ob-tient une largeur `a mi-hauteur de 476 Hz, conform´ement `a ce qu’on attend pour une im-pulsionπde 2,1 ms.
troscopie Rabi de la transition ; en pratique, on choisit une dur´ee d’impulsion de quelques ms, afin de d´eterminer cette fr´equence `a quelques centaines de Hz pr`es. La figure 5.4 pr´esente un spectre acquis dans un pi`ege de fr´equences (50 Hz, 800 Hz, 800 Hz), form´e `a 150 µm de la puce. Avec une puissance R.F. de -24 dBm et une puissance micro-onde d’environ 2 dBm, la dur´ee d’une impulsion π est de 2,1 ms. La largeur `a mi-hauteur de la raie correspondante est inf´erieure `a 500 Hz, d´eduite d’un ajustement des donn´ees exp´erimentales par la fonction en sinus cardinal attendue pour une spectroscopie Rabi [9]. Dans la suite, les puissances micro-onde et R.F. sont choisies afin d’obtenir des puissances comparables au niveau des atomes et des impulsions de quelques millisecondes. Une optimisation plus pouss´ee sera n´ecessaire afin de
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Chapitre 5. Spectroscopie de la transition d’horloge - r´esultats exp´erimentaux
r´eduire d’´eventuels d´eplacements lumineux pr´esents pendant les impulsions.