Cryog´ enie

L’environnement cyrog´enique dans lequel le dispositif est plac´e est indispensable pour r´eduire le champ thermique `a la fr´equence de la cavit´e, nuisible pour le temps de vie des atomes de Rydberg et probl´ematique lors de la pr´eparation d’´etats de faibles nombres de photons dans la cavit´e. D’autre part, le facteur de qualit´e des miroirs et donc le temps de vie du mode TEM utilis´e d´ependent en partie de la r´esistance de surface du niobium supraconducteur qui devient n´egligeable `a basse temp´erature. Cet environnement repr´esente cependant une lourde contrainte de part la taille de l’exp´erience, la n´ecessit´e de remplir r´eguli`erement les r´eservoirs et les probl`emes issus de son fonctionnement propre. L’exp´erience a donc ´et´e pens´ee et construite autour d’un cryostat `a h´elium 3 de la marque Ice Oxford dont le r´egime de fonctionnement devait en th´eorie permettre d’at-teindre une temp´erature stable de 0.4 K au coeur du montage. La figure 2.9 en pr´esente

Figure 2.9 – Plan m´ecanique du cryostat et zoom sur la partie centrale permettant d’abaisser la temp´erature exp´erimentale sous le Kelvin.

un plan m´ecanique. Deux r´eservoirs se succ`edent : un r´eservoir d’azote liquide ´ecrante d’abord le rayonnement thermique de la pi`ece, ce qui permet de r´eduire les pertes lors du refroidissement `a l’h´elium qui a lieu dans un second r´eservoir d’h´elium 4 liquide main-tenant un premier ´ecran `a 4.2 K. Sous cet ´ecran un cryog´en´erateur r´ealise une d´etente adiabatique sur l’helium 4, g´en´erant une temp´erature stable de 1.6 K sur une plaque de cuivre appel´ee plaque 1.6 K. Le cryog´en´erateur est aliment´e en helium 4 liquide par l’interm´ediaire d’un capillaire de d´ebit r´eglable `a l’aide d’une vanne pointeau de grande imp´edance alors que le pompage s’effectue `a l’aide d’une tube en acier inoxydable. Un der-nier ´etage appel´eplaque 0.4 Ksoutient le dispositif exp´erimental. Il est reli´e `a l’´etage sup´erieur par un interrupteur thermique pouvant ˆetre tour `a tour rempli d’helium gazeux pour ´egaliser les temp´eratures avec la plaque 1.6 K, ou pomp´e pour en assurer l’isolation thermique. Il est refroidi par l’interm´ediaire d’un cryog´en´erateur `a h´elium 3, isotope rare de l’helium qui circule en circuit ferm´e dans le cryostat. L’obtention d’une temp´erature de 0.4 K fut obtenue lors de tests pr´eliminaires sans le dispositif exp´erimental suspendu `a la plaque, mais nous ne sommes jamais parvenus `a atteindre un r´egime stationnaire une fois le dispositif rattach´e. Nous avons donc r´ealis´e toutes les exp´eriences pr´esent´ees dans ce manuscrit en pr´esence du cryog´en´erateur `a h´elium 4, avec l’interrupteur thermique rempli d’helium gazeux pour ´equilibrer les temp´eratures.

Figure 2.10 – Temp´eratures mesur´ees `a l’int´erieur de l’exp´erience en pr´esence de l’asser-vissement de la temp´erature par l’interm´ediaire du contrˆole du pourcentage d’ouverture de la vanne pointeau. En noir est trac´ee la temp´erature de la plaque 1.6 K, en rouge celle de la plaque 0.4 K. En bleu, correspondant `a l’axe des ordonn´ees de droite est trac´e le pourcentage d’ouverture de la vanne sur lequel la r´etroaction s’effectue.

La temp´erature d’´equilibre de la plaque 1.6 K et donc du cœur exp´erimental repose sur un ´equilibre d´elicat entre pompage et r´ealimentation en h´elium 4 liquide et est gouvern´ee par l’ouverture plus ou moins importante de la vanne pointeau introduite pr´ec´edemment. Un asservissement ´electronique permet de corriger en temps r´eel le pourcentage d’ouver-ture selon la temp´erature mesur´ee sur la plaque, r´einjectant plus de liquide pour augmen-ter la temp´erature ou moins pour la diminuer. Trouver des r´eglages stables sur le long terme pour la temp´erature de consigne et les param`etres du PID s’est av´er´e laborieux, le capillaire ayant tendance `a se boucher en fonction du niveau d’h´elium pr´esent dans le r´eservoir `a h´elium 4 liquide, la situation empirant avec le temps. Cependant dans un r´egime stable le contrˆole de la temp´erature est tr`es efficace, la temp´erature de la plaque 1.6 K est (1.530 ± 0.009) K. Dans ces conditions, la temp´erature mesur´ee du coeur du dis-positif exp´erimental est elle de (1.476 ± 0.001) K. La diff´erence entre les deux temp´eratures provient d’un probl`eme de calibration absolue des sondes utilis´ees.

S’assurer d’un bon contrˆole sur la temp´erature est essentiel pour la stabilit´e de l’exp´ e-rience. Un changement de la temp´erature du bloc exp´erimental est susceptible d’entraˆıner de l´eg`eres contractions thermiques pouvant modifier la fr´equence de la cavit´e de quelques centaines de Hz, ainsi que modifier l’environnement vibrationnel de l’exp´erience, deux caract´eristiques que nous souhaiterons maˆıtriser dans les exp´eriences faisant intervenir la coh´erence du signal micro-onde inject´e. La stabilit´e obtenue au mK pr`es assure une variation de la fr´equence de la cavit´e due `a la temp´erature ∆ν_cav,T plus petite que 20 Hz.

Mo nt a ge exp ´eriment al

Figure 2.11 – Photo (`a gauche) et sch´ema technique (`a droite) du cœur du dispositif exp´erimental. Le jet d’atomes lents traverse verticalement la cavit´e au sein duquel des faisceaux lasers horizontaux pr´eparent les atomes dans des niveaux de Rydberg. Apr`es un temps de vol dans la cavit´e ils arrivent dans un d´etecteur au sein duquel ils sont ionis´es, les ´electrons ´etant r´ecup´er´es et amplifi´es par un channeltron.