Différentes configurations

Il existe un grand nombre de méthodes différentes pour satisfaire aux conditions à l’ob-tention d’un PMO. Dans cette partie, je passe en revue de façon non-exhaustive différentes configurations de PMO. Ces exemples choisis, ont pour but de situer notre expérience dans un contexte d’évolution technique et de justifier nos choix pour ce qui est du design de notre PMO actuel et des développements que nous envisageons.

La configuration standard. La méthode canonique consiste à utiliser six faisceaux laser

3.1. Le refroidissement laser. 81 F’=3 -3 -2 -1 0 +3 +2 +1 -2 ^-1 0 +2 +1 0.93 MHz/G 0.70 MHz/G F=2 − + F’=4 -4 -3 -2 -1 0 +4 +3 +2 +1 -3 ^-2 -1 ⁰ +3 +2 +1 0.70 MHz/G 0.47 MHz/G F=3 − +

Figure 3.3 – Ce schéma représente la transition refroidisseur des structures hyperfines du

85Rb à gauche et du 87Rb à droite. Les flèches Bleues et rouges représentent les tran-sitions “refroidisseurs” les plus proches de la résonance pour deux polarisations circulaires différentes. Les sous-niveaux magnétiques sont représentés en présence de champ magnétique. Les décalages en fréquence de chaque niveau avec son voisin le plus proche sont indiqués en

vert et en orange pour le 87Rb et 85Rb.

E x = − 1 = + 1 = − 1 = + 1 − −

Figure 3.4 – Cette figure schématise l’action du PMO sur les atomes. Le haut de la figure

représente plusieurs atomes (en bleu) à différentes distances du zéro de champ magnétique et dont le moment magnétique (flèche noir) est aligné avec le champ magnétique (en rouge au milieu de a figure). Les deux faisceaux lasers contrapropageants sont signalés en vert et en orange). Les flèches circulaires indiquent les polarisations circulaires différentes. En bas le diagramme en énergie indique le comportement des sous-niveaux magnétiques de la transition cyclante |m^∼Fi et l’énergie des photons incidents avec une correspondance couleur.

méthode particulièrement simple a plus récement démontré son efficacité dans l’étude de

PMO contenant un très grand nombre d’atomes (1.4 × 1011 atomes de 87Rb) dans [156].

Dans notre cas, l’utilisation de six faisceaux différents présente deux désavantages. Pre-mièrement le recyclage de la lumière transmise permet d’augmenter l’intensité incidente sur les atomes à puissance laser constante. Pour cela il s’agit de rétro réfléchir les faisceaux après le passage dans le PMO. La polarisation est modifiée par l’ajout d’une lame quart d’onde entre les atomes et le miroir. Cependant un inconvénient apparait avec cette méthode, car l’absorption du faisceau incident par le nuage crée un creux dans le profil d’intensité du faisceau réfléchi.

De plus, cette configuration à six faisceaux orthogonaux nécessite l’occupation de six accès optiques (voir figure 3.5a.). L’étude d’une puce à atome transparente est faite dans [157]. Cette puce est fabriquée par déposition de fils d’or sur un substrat de carbure de silicium (SiC). Ce substrat mono-cristallin est transparent à 780 nm (93 % de transmission en puissance). D’autre part la réduction de la section des fils est favorisée par l’excellente conduction thermique du SiC et la faible résistance thermique de contact entre le fil et le substrat. Cette configuration tout comme la configuration standard offre un grand volume de capture dans le PMO, car le croisement du centre des faisceaux peut être situé arbitrairement loin de la surface de la puce. Cependant la taille des conducteurs à la surface de la puce est limitée par l’occultation des faisceaux du PMO. Dans notre cas nous voulons augmenter la section des fils et placer un dissipateur thermique sous toute la surface de la puce pour accroitre la densité de courant maximale circulant dans la puce.

Le piège magnéto-optique miroir. Nous avons opté pour la configuration du PMO

miroir (PMOM) comme [158]. Cette stratégie a pour but d’augmenter la densité de courant circulant dans la puce pour accroitre le volume de capture et la compression maximale du piège magnétique et ainsi augmenter le nombre d’atomes et réduire le temps de cycle.

Le PMOM consiste à réfléchir certains faisceaux à la surface d’un miroir en utilisant la propriété d’inversion d’une polarisation circulaire pour satisfaire les conditions nécessaires à la création d’un PMO. En effet la polarisation circulaire d’un faisceau change de sens (par

rapport à sa direction de propagation) lors d’une réflexion à 45◦ sur un miroir.

En utilisant cette propriété il est possible de créer une grande variété de configurations de PMOM, comme par exemple avec un miroir en forme de pyramide creuse [113, 159], avec une forme de tétraèdre [160] ou bien avec un miroir plan et un champ alternatif [161]. Ces configurations fonctionnent avec un seul faisceau incident ce qui permet de réduire la puissance laser nécessaire et la taille du dispositif. Cependant les miroirs creux ne sont pas compatibles avec l’intégration d’éléments comme un PMO2D ou un interféromètre en configuration fontaine qui nécessitent un axe libre.

Notre PMOM utilise un miroir plan comme dans [158]. Deux schémas de principe sont représentés en figure 3.5 pour comparer le PMO avec le PMOM. Le faisceau dans l’axe

des bobines est réfléchi à 45◦ de la surface de la puce pour être superposé avec l’une des

autres paires de faisceaux orthogonaux. La troisième paire est par conséquent parallèle à la surface de la puce. Dans notre cas ce faisceau est vertical et les faisceaux réfléchis sont donc horizontaux. Cette stratégie a l’avantage de laisser l’axe vertical libre pour le lancement du condensat vers la chambre d’interférométrie haute. L’axe horizontal parallèle à la puce est utilisé pour l’arrivée des atomes depuis le PMO2D et pour l’imagerie. Enfin l’espace derrière le plan du miroir sera utilisé pour placer des conducteurs dédiés au piégeage magnétique des

3.1. Le refroidissement laser. 83 x ^y z . b . a _cg cg cd cd cd cd cg cd cd cd

Figure 3.5 – Cette figure présente une comparaison des schémas du PMO standard (figure

a.) et du PMO miroir (figure b.). Les flèches représentent les différents faisceaux, avec leur polarisation par rapport à leur direction de propagation : bleues et pointillées pour circulaire gauche et vertes et pleines pour circulaire droite. Les flèches oranges indiquent le sens de circulation du courant dans les bobines.

atomes.

La transparence de la puce sera tout de même mise à profit pour le passage d’un faisceau dipolaire. Celui-ci ne nécessite qu’une très petite surface transparente. La surface actuelle est faite en BK7 et le support est percé en son centre d’un trou de 5 mm de diamètre. La déposition de fils en or sur un substrat de SiC est envisagée, et sera traitée dans le chapitre suivant. Dans les deux cas la surface de la puce est recouverte d’un revêtement dichroïque pour réfléchir les faisceaux du Piège Magnéto-Optique Miroir (PMOM) à 780 nm, tout en restant transparente à 1560 nm pour le faisceau du piège dipolaire.

Le champ magnétique quadrupôlaire. Le quadrupôle magnétique peut être produit

de plusieurs façon. Le quadrupôle magnétique de [162] est produit par une structure en “U” dont le rapport d’aspect est optimisé pour obtenir le meilleur alignement possible avec les faisceaux laser. La production du quadrupôle par une paire de bobines anti-Helmholtz nécessite une configuration moins compacte mais l’alignement entre le champ magnétique et les faisceaux laser est effective dans un plus grand volume. Ceci permet de capturer un plus grand nombre d’atomes. Des expériences comme [43, 163] utilisent les deux configurations successivement de façon à capturer un grand nombre d’atomes avec les bobines, puis à adapter la forme du PMOM au piège magnétique sur puce avec le PMOMU.

Dans notre expérience le PMOM est déplacé vers la puce pour faciliter le chargement du piège magnétique (voir figure 3.6. Sur l’axe normal à la puce passant par le centre le champ magnétique est orienté selon la direction X et change de sens de part et d’autre du zéro de champ magnétique. En appliquant un champ magnétique de biais dans la direction X il est possible de déplacer le zéro de champ vers la puce.

+

a. b. c.

=

Figure 3.6 – Cette figure illustre le déplacement du PMO3D. Chacun des trois graphiques

est une coupe à deux dimensions dans les directions X et Z représentant (en rouge) les composantes vectorielles dans le plan du champs magnétiques et en couleurs pastel la norme du champ. La surface de la puce se trouve en z = −2 mm. Le graphique a. représente le quadrupôle du PMO initial. Le graphique b. représente le champ homogène dans la direction X. Le graphique c. représente la superposition des deux premiers.

de trois faisceaux orthogonaux. Le faisceau vertical est rétro-réfléchi, tandis que les faisceaux

horizontaux sont réfléchis l’un sur l’autre à 45◦ d’un miroir plan vertical. Le quadrupôle

ma-gnétique est généré par une paire de bobines en configuration anti-Helmholtz. Le centre du quadrupôle peut être déplacé orthogonalement à la surface du miroir grâce à une paire de bobines placées sur l’axe horizontal parallèle à la surface du miroir. Le miroir a reçu un trai-tement dichroïque pour réfléchir la lumière à la longueur d’onde de 780 nm et transmettre la lumière à la longueur d’onde de 1560 nm.

Le refroidissement laser.

Le refroidissement laser repose sur le transfert de quantités de mouvement de pho-tons vers les atomes. L’utilisation conjointe d’une mélasse optique et d’un gradient de champ magnétique permet de piéger spatialement et de refroidir un ensemble d’atomes. A cause de la séparation du niveau fondamental en deux sous-niveaux hyper-fins, deux fréquences optiques sont nécessaires pour : transférer un maximum d’impul-sions sur une transition quasi-fermée (le laser “refroidisseur”) et repomper les atomes vers cette transition (le laser “repompeur”). Dans notre cas le quadrupôle de champ magnétique est généré par une paire de bobines en configuration anti-Helmholtz. La configuration des faisceaux laser de notre piège magnéto-optique diffère de la

confi-guration standard du fait que deux faisceaux horizontaux sont réfléchis à 45◦ d’un

3.2. Le système d’imagerie par fluorescence. 85 X Y Z Cam 1 Cam 2 Cam 3

Figure 3.7 – Ce schéma présente une vue 3D du placement des détecteurs de fluorescence

par rapport à certains éléments de l’expérience que nous avons vu dans le chapitre précédent (en gris). Les faisceaux laser du PMO servant à l’imagerie sont symbolisés en rouge. La photo diode (Cam 3) avec sa lentille de collection et son support d’ajustement de la focale sont schématisés en vert. La caméra de face (Cam 2) avec son zoom sont schématisés en

orange. Enfin la caméra principale (Cam 1) avec son triplet et son doublet sont schématisés en bleu.