Durée de vie dans le piège magnétique : phénomènes limitants

Avant tout travail d'optimisation, nous mesurions une durée de vie des atomes dans le piège magnétique, de l'ordre de 1 s. Plusieurs phénomènes diérents autre que la pression résiduelle dans l'enceinte à vide sont susceptibles de limiter la durée de vie dans le piège magnétique.

Il se peut par exemple, que malgré la coupure des faisceaux du PMO, des photons réson- nants atteignent l'enceinte à vide suite à des réexions parasites sur les éléments optiques ou métalliques présents au voisinage de l'enceinte. Un atome piégé qui absorbe un photon résonant a une probabilité faible de retomber dans un état piégeant lorsqu'il réémet spon- tanément un photon. C'est pourquoi les atome piégés magnétiquement vont être perdus rapidement en présence de lumière parasite. L'installation d'un obturateur supplémentaire sur le trajet du faisceau du piège a rallongé considérablement la durée de vie du nuage, ce qui prouve que nous étions initialement limités par la présence de lumière parasite dans l'enceinte à vide.

La suppression de la lumière parasite dans l'enceinte à vide nous a permis de mettre en évidence un second phénomène limitant la durée de vie des atomes dans le piège ma- gnétique. La température du nuage piégé est trop élevée par rapport à la profondeur du piège magnétique à 8 G et nous perdons les atomes du piège magnétique par évaporation naturelle. Nous avons mis en évidence ce phénomène en observant l'évolution du nombre d'atomes et de la largeur du nuage en fonction du temps de piégeage. La gure 4.12 pré- sente les résultats obtenus. Le graphe (a) de la gure 4.12 représente la variation de la largeur radiale σr du nuage piégé magnétiquement après 0.1 ms d'expansion libre en fonc-

tion de la durée tZ de piégeage. Nous observons une diminution de la largeur du nuage

avec tZ, ce qui signie que la température du nuage diminue lorsque la durée de piégeage

augmente. Parallèlement, le nombre NZ d'atomes piégés diminue avec tZ(g. 4.12(b)). La

diminution de la largeur du nuage associée à une diminution du nombre d'atomes piégés est la signature du processus d'évaporation. Les atomes de plus hautes énergies quittent le piège et les atomes piégés rethermalisent par collisions à une température plus basse que la température initiale. La température T1 du nuage après 1160 ms de piégeage est de 33

32 31 30 29 28 27 σr [pixels] 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 NZ [10 6at o m es ] (b) 12 10 8 6 4 2 tZ[s] (a) T1= 33 µK T2= 25 µK

Fig. 4.12: (a) Variation de la largeur radiale σr du nuage piégé magnétiquement en fonction du

temps tZ de piégeage après 0.1 ms de temps de vol. (b) Variation du nombre d'atomes NZ piégés

magnétiquement en fonction de tZ (·) et t exponentiel forcé à zéro (). La durée de vie limitée

par le processus d'évaporation naturelle est de 19.1 ± 0.3 s.

µK. Elle n'est plus que de T2 = 25 µK après 4450 ms de piégeage. Nous observons claire-

ment deux constantes de temps sur la décroissance de σr et NZ, que nous n'expliquons pas

clairement. Nous déterminons la durée de vie des atomes dans le piège magnétique à partir d'un t exponentiel forcé à zéro de la décroissance du nombre d'atomes pour un temps de piégeage supérieur à 3.5 s. Ce t est tracé en trait plein sur la gure 4.12(b)). La durée de vie du limitée par le processus d'évaporation naturelle est de 19.1 ± 0.3 s9_.

An de mesurer la durée de vie limitée par la pression résiduelle dans l'enceinte, il faut éliminer le phénomène d'évaporation naturelle. Pour cela, nous refroidissons le nuage par évaporation radio-fréquence10_{, jusqu'à une valeur de l'ordre du micro-Kelvin. Nous}

mesurons la durée de vie des atomes dans le piège magnétique à 8 G après compression du piège, application de l'onde RF et décompression11_{. La gure 4.13 présente la variation du}

9_{Pour que la pression résiduelle dans l'enceinte à vide soit constante pendant la mesure de la durée de}

vie du piège magnétique, la durée de la séquence expérimentale est xée à 18 s environ quel que soit le temps de piégeage. En conséquences, nous avons augmenté tonà 3 s pour avoir un nombre d'atomes piégés

susant.

10_{Nous ne décrirons pas ici, le principe du refroidissement évaporatif qui sera détaillé au paragraphe 5.2.} 11_{La compression du piège est nécessaire pour augmenter le taux de collisions élastiques et refroidir le}

nombre NZ d'atomes du nuage refroidit à 1 µK (◦) en fonction du temps tZ de piégeage.

Nous avons également fait apparaître sur cette gure, les données présentées sur le graphe 6 5 4 3 2 1 0 NZ [10 5at o m es ] 12 11 10 9 8 7 6 tZ[s] T = 1 µK T ≅ 25 µK

Fig. 4.13: Variation du nombre NZd'atomes piégés magnétiquement à une température de quelques

dizaines de micro-Kelvins (·) et refroidit par évaporation RF à une température de 1 µK (◦).

(b) de la gure 4.1212 _{relatives à un nuage d'une température de plusieurs dizaines de}

micro-kelvins (·). Le nombre d'atomes du nuage refroidit à 1 µK diminue plus lentement que celui du nuage à plusieurs dizaines de micro-Kelvins. Les courbes en trait plein sont des ts exponentiels forcés à zéro des données expérimentales. La durée de vie du nuage à 1 µK est de 30.3 ± 0.3 s.

Cette durée de vie n'est pas mesurée dans des conditions identiques à celles de la séquence expérimentale de condensation. En eet, mesurer la durée de vie du nuage impose de rallonger la durée de piégeage et donc de la séquence expérimentale, ce qui modie la pression résiduelle dans l'enceinte à vide. Cependant, le résultat précédent donne l'ordre de grandeur de la durée de vie des atomes dans le piège pendant la séquence expérimentale réelle et nous pensons, à partir de ce résultat, que la durée de vie des atomes dans le piège magnétique est susante pour mettre en place le cycle de refroidissement évaporatif.

La diminution de la durée de vie des atomes dans le piège magnétique peut également être due aux pertes par collisions à trois corps. Nous évaluons à partir des résultats donnés dans le paragraphe 4.1.3.4 et de [80], le taux de pertes à 3 corps dans le piège magnétique initial à 1.4 10−6 _s−1 _{par atomes. En 10 s, soit l'ordre de grandeur de la durée de vie des}

atomes dans le piège magnétique, ces collisions sont responsables de la perte de un à deux atomes. Il est donc raisonnable de négliger les collisions à trois corps dans l'étude de la durée de vie du piège magnétique décomprimé.

nuage par rethermalisation.

12_{Les étapes de compression, refroidissement RF et décompression du piège rallonge la durée de la}

séquence expérimentale qui est xée à 18 s environ. Nous avons augmenté tonà 3 s pour avoir un nombre

d'atomes piégés susant. Les données présentées sur la gure 4.13 sont prises dans les mêmes conditions et donc tout à fait comparables

Dans cette partie, nous avons mis en évidence deux phénomènes limitant la durée de vie des atomes dans le piège magnétique : la lumière parasite et l'évaporation naturelle. Lorsqu'on élimine ces deux phénomènes, la durée de vie dans le piège magnétique est limitée par la pression résiduelle dans l'enceinte à vide. Elle dépend donc fortement des paramètres ton et tload qu'il faudra réajuster au fur et à mesure de l'allongement de la

séquence expérimentale pour trouver un compromis entre nombre d'atomes piégés et durée de vie. Pour ton= 2.6 s et tload= 10 s, la durée de vie des atomes dans le piège est susante

pour envisager la mise en place du cycle de compression du piège et d'évaporation radio- fréquence vers la condensation de Bose-Einstein.

Le paragraphe suivant est consacré à l'étape de compression du piège magnétique.