Détection des atomes

Les atomes sélectionnés en vitesse puis préparés sur un état de Rydberg circulaire traversent ensuite la cavité. Le résultat de l’interaction atome-champ sur l’état atomique est ensuite mesuré par des détecteurs à ionisation. En effet, les états de Rydberg, étant très excités, sont très facilement ionisables. Il suffit pour cela d’un champ électrique de l’ordre de la centaine de V/cm. Evidemment, la valeur du champ pour laquelle l’atome s’ionise dépend de son état |gi ou |ei. En pratique, nous disposons de deux détecteurs présentés sur la figureIII.14qui sont basés sur ce principe mais qui ont des avantages différents expliqués dans le détail dans la thèse d’A. Auffèves-Garnier [56]. Nous allons nous contenter ici d’en donner une vue générale.

 Détecteur à électrode plate (1er

détecteur)

Le premier détecteur est constitué d’une cathode plate disposée face à une anode percée d’un trou de 6 mm (voir figureIII.14). En appliquant une différence de potentiel entre ces deux plaques, on génère un champ électrique relativement homogène. Lorsque l’échantillon atomique arrive au niveau du trou, on déclenche une rampe de potentiel de -5 V à -35 V sur la cathode (à potentiel fixé pour l’anode), augmentant ainsi linéairement le champ électrique vu par les atomes. L’électron de valence de l’atome préparé le cas échéant ! -est arraché lorsque ce champ atteint la valeur d’ionisation. Il -est ensuite accéléré à travers le trou puis par des lentilles électrostatiques qui le guident vers un multiplicateur d’élec-trons. La rampe en tension et le résultat de la détection sont également représentés sur la figure III.15. Le champ électrique variant au cours du temps, il nous est possible de distinguer les états circulaires |50Ci et |51Ci facilement puisqu’étant séparés en énergie, les pics de détection associés sont clairement séparés temporellement. Ceci nous permet de définir des fenêtres temporelles (délimitées par les lignes verticales en pointillé). Dans chaque fenêtre, nous comptons tous les atomes détectés et nous considérons alors que ceux-ci sont dans le même état ceux-circulaire. La position temporelle de la rampe a son importance

III.2. Le système atomique 105

Figure III.14 – Schéma des deux détecteurs avec les potentiels appliqués sur les diffé-rentes électrodes.

puisqu’elle peut “favoriser” la détection d’un état plutôt que l’autre. Nous réglons donc le temps de déclenchement de la rampe ainsi que la taille des fenêtres de détection pour équilibrer la détection entre les deux états.

Nous avons utilisé ce détecteur pour tous les résultats de l’expérience principale. Son efficacité s’est dégradée au cours des thèses précédentes : initialement de 80± 10 % [102], elle a chuté à 30% au cours des années. La mesure de cette dernière valeur est bien détaillée dans la référence [103]. Nous n’avons pu détecter que 0,01 atomes sur les 0,03 préparés par échantillon et le détecteur fait environ 5% d’erreurs à la discrimination entre les états|e et |g. Précisons qu’une erreur de discrimination correspond à la détection d’un atome dans l’état |e alors que celui-ci est en réalité dans l’état |g et vice-versa.

 Détecteur à gradient de champ (2e détecteur)

Le deuxième détecteur ne diffère du premier que par sa cathode qui prend la forme d’un plan incliné, le trou de l’anode ne mesurant plus que 2 mm. Tout le reste est structurellement identique à ce que nous venons de voir. Toutefois, cette distinction n’est pas minime. Les potentiels de l’anode et de la cathode sont cette fois fixés et c’est la géométrie de la cathode qui assure l’augmentation du champ électrique perçu par les atomes le long de leur trajet entre les électrodes. Dès que l’atome voit un champ électrique suffisant, il s’ionise. Le long du plan incliné, on ionise donc progressivement les atomes qui sont

106 Chapitre III. Mise en oeuvre expérimentale

Figure III.15 – Détection des atomes avec le détecteur à cathode plate

Une rampe de potentiel appliquée à la cathode (à potentiel d’anode fixé) permet l’ionisation des atomes présents au dessus du trou. Le signal obtenu est moyenné sur 300 000 échantillons atomiques. La courbe

verte correspond au signal de détection d’atomes initialement préparés dans|51C ≡ |e tandis que la bleue

correspond à la détection d’atomes préparés dans |50C ≡ |g qui sont ionisés plus tardivement car leur

énergie d’ionisation est plus élevée. On peut alors définir deux fenêtres de temps dans lesquelles on peut compter le nombre d’atomes détectés dans chaque état par intégration sous la courbe.

dans des états de plus en plus bas en énergie. Le trou étant petit, et donc très sélectif, le détecteur ne comptabilise que les atomes qui sont ionisés exactement au centre du plan incliné. Contrairement au détecteur précédent, celui-ci ne compte donc que les atomes qui sont dans un niveau d’énergie déterminé. En faisant varier le potentiel de la cathode pour des séquences différentes, on peut sonder d’autres niveaux. La détection des atomes sur les niveaux |g et |e se fait donc pour deux valeurs de potentiels de cathode indiqués sur la figure III.14. L’avantage de ce détecteur est qu’il n’est pas nécessaire pour le faire fonctionner de savoir quand les atomes arrivent sur le détecteur. En contrepartie, il est nécessaire de répéter chaque séquence expérimentale deux fois en détectant la moitié du temps les atomes dans|g et l’autre moitié dans |e. Nous ne l’avons donc utilisé que pour les expériences de temps de vol telles que la calibration de la sélection de vitesse.