Le contrôle informatique de l’expérience étant caractérisé, nous nous intéressons au dispositif expérimental au sein duquel nous avons réalisé le piège magnéto-optique et le condensat de sodium. Dans la première partie de ce mémoire, des expériences ont été proposées permettant d’obtenir des états quantiques de spin fortement intriqués. L’observation de tels états nécessite le maintien d’un temps de cohérence suffisamment long pour que l’état puisse être formé. Il nous a donc fallu construire un dispositif expérimental dont la conception mécanique atténue le plus possible les perturbations extérieures, mécaniques ou électro-magnétiques.
5.2.1 Enceinte à vide amagnétique
L’élément central du dispositif est l’enceinte à vide dans laquelle les manipulations expérimentales d’atomes ont lieu. Celle-ci doit être isolée de tout champ magnétique fluctuant, source de décohérence (voir Ch. 2). Pour cette raison, nous avons décidé de faire réaliser cette enceinte en titane3 (plus précisément en un alliage TiAl6V4, grade ELI), qui est un matériau amagnétique dans lequel ne peuvent donc résider de champs magnétiques permanents. Cette solution a été préférée à une réalisation en aluminium, également amagnétique, car le titane est plus adapté à l’utilisation pour l’utra-vide, tout en demeurant facile à usiner. Afin que l’ensemble de la réalisation demeure amagné-tique, un grand soin a été porté aux matériaux composants les différents éléments de l’enceinte à vide. En effet, outre le corps de l’enceinte intégralement en métal, des hu-blots sont utilisés pour permettre l’observation des nuages atomiques. Ces huhu-blots ont été fabriqués sur mesure afin de garantir la non-utilisation de matériaux magnétiques lors de leur fabrication. Ainsi, le kovar magnétique fréquemment utilisé pour réaliser le joint entre le verre du hublot (de la silice fondue dans notre cas) et le métal composant la bride du hublot (du titane ici) a été remplacé par un alliage de molybdène/tantale, non magnétique4. De même les vis utilisées pour le montage de la chambre à vide sont en titane. Enfin, les joints pour l’ultra-vide utilisés sont des joints CF en cuivre, non magnétiques.
Cette configuration nécessitant la commande de nombreuses pièces sur mesure com-patibles avec une utilisation pour l’ultra-vide a constitué un part importante de notre travail, et n’a pu être mise en place pour une utilisation expérimentale qu’en octobre 2008. Tous les résultats obtenus précédemment, notamment la première obtention d’un piège magnéto-optique de sodium à partir du laser tout-solide, ont été réalisés dans une cellule en verre en Pyrex standard, puis dans une enceinte à vide en acier. Ces différents environnements ont ainsi pu être testés pour la désorption induite par la lumière (voir Sec.5.4).
3. La fabrication de l’enceinte a été réalisée par R.-U. AEA Special Techniques, Oxfordshire, R.-U.. 4. Ces hublots ont été réalisés par MPF Products Inc., Gray Court, SC, USA. Un magnétomètre a permis de mesurer un champ de l’ordre de 100 µG au voisinage d’un de ces hublots, même après exposition à un aimant permanent.
138 Ch. 5. CONCEPTION DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL ET REFROIDISSEMENT LASER Bride rentrante Connexion au syst`eme `a vide Hublots CF25 Hublot CF16 16cm 18cm Fixation
FIGURE5.2. A gauche, représentation de l’enceinte à vide, montrant les différents accès optiques disponibles.
On y distingue l’accès pour la bride rentrante permettant un accès avec une grande ouverture numérique (l’ou-verture symétrique se trouve en face, non visible sur la figure), ainsi que les divers hublots CF16 et CF25. La connexion au reste du système à vide est assurée par une ouverture CF40 déportée. A droite, photographie de la chambre réalisée. Elle est montée sur son support (en noir), et l’un des supports pour les bobines réalisant le gradient du piège magnéto-optique est également visible (en blanc).
La nécessité d’une réalisation sur mesure de la chambre à vide nous a en revanche conféré une grande liberté vis-à-vis de sa géométrie, que nous avons exploitée. En effet, la formation d’un piège dipolaire de piégeage fortement focalisé comme celui décrit dans le chapitre1implique la présence d’un port possédant une grande ouverture numérique (de l’ordre de
0.3
) sur l’enceinte à vide, afin d’y faire passer le laser fortement focalisé. Nous avons donc dessiné l’enceinte à vide de manière à disposer de deux hublots de50 mm
de diamètre utile, se faisant face (voir Fig.5.2). Ceci est rendu possible en utili-sant des brides rentrantes, qui amènent la fenêtre des hublots à50 mm
du centre de la chambre où se situera le nuage atomique. Dans ces brides rentrantes pourra être inséré un objectif de microscope de qualité suffisante pour pouvoir focaliser le micro-piège op-tique (voir Ch. 7). La qualité optique de cette fenêtre est par ailleurs garantie avec une planéité inférieure àλ/10
et un angle avec l’axe optique inférieur à0.2
◦. L’opportunité de disposer de deux brides de ce type se faisant face sera également discutée dans le chapitre7.D’autres accès optiques sont nécessaires au fonctionnement de notre expérience. On compte notamment six hublots nécessaires aux faisceaux du piège magnéto-optique, quatre hublots destinés au passage du premier piège dipolaire de forte puissance (voir Ch.6), ainsi que des hublots utilisés pour agir sur la teneur en sodium de la chambre, que ce soit par le biais de dispensers de sodium ou en éclairant ces hublots de lumière pour la désorption induite (Sec.5.4). Nous pouvons également évoquer la nécessité d’ou-vertures pour l’émission de micro-ondes à l’intérieur de la chambre pour agir sur l’état de spin des atomes (voir Ch. 2), même si ces sources ne sont pas installées au moment de la rédaction de ce mémoire. Nous avons donc dessiné une enceinte à vide
compor-5.2. DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL ROBUSTE FACE AUX PERTURBATIONS 139 60 cm Supports Horizontaux Supports Verticaux Pompe ionique Chambre `a vide Pompe Getter 40cm
a. b.
x y zFIGURE5.3. (a) : Représentation du montage expérimental complet. On y distingue l’enceinte à vide, son
sup-port, les bobines réalisant le gradient du piège magnéto-optique, ainsi que la structure permettant de monter des éléments optiques. Les faisceaux du piège magnéto-optique (voir section suivante) sont notamment représentés. Les plans horizontaux sont hexagonaux, et le système s’inscrit dans un cylindre de60 cm. (b) : Photographie du système à vide complet, comprenant l’enceinte et les pompes utilisées.
tant deux hublots CF16 et seize hublots CF25 en plus des deux hublots rentrants déjà mentionnés. Le dessin de cette chambre ainsi qu’une photographie de celle-ci une fois réalisée est visible sur la figure5.2.
5.2.2 Compacité du montage expérimental
Le dessin de notre enceinte à vide étant finalisé, il nous a fallu l’inclure au sein d’un dispositif expérimental respectant les conditions d’isolation des perturbations mé-caniques et électro-magnétiques déjà évoquées. En ce qui concerne les champs magné-tiques extérieurs, le support de l’enceinte est réalisé en aluminium, amagnétique. De plus, cet ensemble formé de l’enceinte et de son support est conçu pour être enveloppé d’un blindage magnétique permettant de l’isoler de perturbations magnétiques exté-rieures. Cette isolation assurera l’environnement magnétique “propre” indispensable à l’observation d’états de spins fortement corrélés. Le blindage magnétique n’est cepen-dant pas encore réalisé, et tous les résultats présentés ont été mesurés sans qu’il ne soit présent.
En prévision de l’utilisation de ce blindage, nous avons tout de même conçu le dispo-sitif sous de fortes contraintes de compacité, afin qu’il puisse être contenu dans un faible volume. En premier lieu, le montage des éléments optiques nécessaires à l’expérience est réalisé sur des plans horizontaux au-dessous, dans le plan médian et au-dessus de la chambre à vide, mais aussi sur des plans verticaux de part et d’autre de la chambre, notamment pour les faisceaux du piège magnéto-optique [voir Fig.5.3(a)]. Ceci permet
140 Ch. 5. CONCEPTION DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL ET REFROIDISSEMENT LASER
l’ensemble des éléments optiques et la chambre à vide qu’ils entourent sont circonscrits dans un cylindre de
60 cm
de diamètre, ce qui permettra au bouclier magnétique de venir aisément envelopper le montage. Cette enceinte possède un faible volume (0.3 l
). L’ultra-vide y est uniquement maintenu par une pompe ionique20 l s
−1 et nous esti-mons la vitesse de pompage à4.5 l s
−1 à l’intérieur de l’enceinte. Cette pompe comporte un aimant permanent très important et se trouve donc placée à l’autre bout d’un tube de40 cm
de long, hors du bouclier magnétique [voir Fig.5.3(b)]. Nous avons ajouté unepompe à fixation (“pompe Getter”), non magnétique, juste à côté de l’enceinte à vide, pour compenser l’éloignement de la pompe ionique. Cette pompe dont le fonctionnement est fondé sur la nature chimique du composé exposé dans la chambre est particulière-ment efficace pour piéger l’hydrogène. Après dix jours d’étuvage de l’enceinte à
200
◦C
, la pression résiduelle atteinte est en-dessous du seuil de détection du contrôleur de la pompe (limité à∼ 100 nA
, correspondant à10
−9mbar
).Afin de réaliser un gradient de champ magnétique à l’intérieur de l’enceinte à vide, indispensable au fonctionnement du piège magnéto-optique (voir section5.3), deux bo-bines de cuivre creux sont disposées dans l’axe
x
de part et d’autre de l’enceinte, autour de deux hublots [voir Fig.5.3(a)]. Elles sont maintenues en position par un support enMacor (céramique amagnétique usinable), solidaire du support de l’enceinte, visible sur la figure5.2(b).
L’efficacité d’un blindage magnétique dépend également du faible nombre d’ouver-tures qui lui sont pratiquées, ainsi que de leur taille qui se doit d’être minimale. La lumière laser utilisée pour l’expérience, qu’il s’agisse des pièges dipolaires ou de lumière résonnante, est donc acheminée uniquement par fibre optique. On peut également si-gnaler ici que les signaux électriques analogiques provenant d’appareils à l’intérieur de la zone du bouclier sont acheminés par des câbles terminés par des connecteurs multi-contacts d’un centimètre de diamètre5. Ces cables transportent jusqu’à quatre signaux ayant une masse commune, ainsi que les tensions d’alimentation positive et négative.