L’expérience nécessite un environnement magnétique particulier. Un gradient de champ ma-gnétique permet de piéger les atomes de rubidium dans le PMO. Un champ mama-gnétique de quantification uniforme lors de la séquence interférométrique permet de préparer l’état quan-tique initial des atomes et de maintenir la polarisation des atomes pendant leur chute libre. Ce champ magnétique de quantification doit être créé suivant l’axe de mesure voulu. Deux champs magnétiques de quantification sont donc générés, pour une mesure verticale et horizontale des composantes inertielles. De plus, un blindage en µmétal permet d’atténuer au niveau des atomes le champ magnétique extérieur pouvant perturber les mesures. Enfin, le champ magnétique ressenti par les atomes lors de la phase de mélasse optique doit être nul.
II.5.1 Bobines de gradient de champ magnétique pour le piège
magnéto-optique
Le piégeage des atomes à l’aide d’un PMO nécessite la fabrication de deux bobines en anti-Helmholtz générant un gradient de champ magnétique, avec un champ magnétique nul au centre de notre piège. Le gradient de champ à appliquer est typiquement d’une dizaine de G/cm et est optimisé pour obtenir le plus grand nombre d’atomes froids. Afin d’être au plus proche des atomes, les bobines sont fabriquées sans support, avec les fils de cuivre enroulés directement sur le tube en titane.
L’absence de support impose aux bobines une configuration pyramidale. Les spires sont fa-briquées au plus près du centre du PMO afin d’avoir le plus grand gradient de champ magnétique possible. Une simulation est faite pour optimiser le nombre de spires et l’intensité dans les bo-bines. La configuration choisie est pour chaque bobine 39 spires réparties en 6 couches de façon pyramidale. Cette configuration permet d’obtenir un gradient de champ égal à 22 G/cm dans l’axe pour une intensité de 5 A dans les bobines (4,4 G/cm/A), ce qui permet d’avoir une marge sur le gradient de champ magnétique de 10 G/cm voulu. Le gradient de champ est homogène sur 4 mm, ce qui est plus grand que la taille typique du nuage d’atomes piégés dans un PMO. De plus, cette simulation est comparée à une configuration rectangulaire similaire, possédant 40 spires réparties sur 5 couches, et le résultat donne un gradient de champ et une homogénéité semblables à la configuration pyramidale. Cette dernière convient donc à l’expérience.
Les deux bobines sont fabriquées horizontalement de part et d’autre de la croix de l’en-ceinte. Le fil de cuivre (φ=1 mm) est collé en utilisant une colle époxy AREMCO-BOND 631,
II.5. ENVIRONNEMENT MAGNÉTIQUE
Figure II.13 – Photos des bobines de gradient de champ magnétique pour le PMO.
thermorésistante pour que la bobine supporte un éventuel étuvage. Afin de confirmer la bonne réalisation des bobines, plusieurs éléments sont vérifiés. Tout d’abord, le champ créé par chaque bobine est confronté à la théorie. Le champ magnétique vertical mesuré par une sonde à 21,25 cm du centre du PMO présente un écart d’environ 10% par rapport à la théorie ce qui confirme la simulation et l’absence de court-circuit dans les bobines. De plus, la résistance expérimen-tale de chaque bobine en fonction du courant la traversant est mesurée afin de caractériser la température des bobines. Les bobines étant directement contre les parois de l’enceinte, une aug-mentation de la température pourrait entraîner un dégazage des parois et augmenter la pression interne de l’enceinte. On observe une augmentation de température inférieure à 5°C pour un courant entre 1 et 5 A. Pour obtenir un gradient de champ magnétique d’environ 10 G/cm, le courant à appliquer aux bobines est d’environ 2,5 A, qui est une valeur de courant n’entraînant pas d’augmentation significative de température des bobines. Les bobines fabriquées sont donc validées pour l’expérience.
II.5.2 Blindage en µmétal
Les atomes sont sensibles à la présence de champ magnétique pendant la phase de refroidisse-ment et d’interférométrie. Il est donc important d’atténuer le plus possible le champ magnétique extérieur.
Le blindage en µmétal est un blindage magnétique permettant de dévier les lignes de champ magnétique basses fréquences. Le µmétal est un alliage de fer et de nickel possédant une perméa-bilité magnétique extrêmement grande (µr=10 000 - 100 000), ce qui lui confère ces remarquables propriétés magnétiques. Cela permet d’avoir un champ magnétique extérieur très atténué à l’in-térieur du blindage, et donc de diminuer son influence sur les atomes. L’efficacité d’un blindage en µmétal dépend entre autres de sa géométrie, de son épaisseur et des ouvertures qu’il possède. Le blindage utilisé pour ce projet est cylindrique. Il est constitué de deux cylindres imbriqués, et d’un couvercle, d’épaisseur 2 mm. Les facteurs d’atténuation du blindage mesurés valent 40 pour la composante verticale du champ magnétique et 55 pour la composante latérale du champ. Le champ vertical résiduel à l’intérieur du blindage est d’environ 25 mG avec une variation de 5 mG sur les 20 cm de la zone d’expérimentation (Figure II.14). Ce champ résiduel peut perturber les mesures interférométriques. Pour diminuer son effet sur les atomes, on le prend en compte dans la suite pour l’installation des bobines de quantification verticales.
Figure II.14 – Blindage en µmétal. A gauche : photo du blindage. En pointillé sont montrés les dimensions du cylindre intérieur de µmétal ainsi que les deux ouvertures sur les côtés permettant de le porter. A droite : cartographie du champ magnétique vertical résiduel en présence du blindage. Le nuage d’atomes est à la position z=20 cm, la détection basse est à la position z=0.
II.5.3 Bobines de quantification verticales
Un champ magnétique homogène de valeur moyenne environ 100 mG doit être appliqué aux atomes pendant la phase de sélection Zeeman et la séquence d’interférométrie. Il permet de lever la dégénérescence des niveaux d’énergie des atomes de Rubidium par effet Zeeman, et d’adresser seulement les atomes dans le sous-niveau mF = 0 via la transition Raman. Au début de l’étape d’interférométrie atomique, tous les atomes sont dans l’état mF = 0. En appliquant un champ magnétique directeur beaucoup plus grand que le champ magnétique résiduel perpendiculaire à ce dernier, il empêche le couplage entre les différents sous niveaux et les atomes restent dans l’état mF = 0. Le champ directeur doit être de plus homogène pour ne pas introduire un biais sur la mesure des composantes inertielles.
Ces bobines de quantification verticales permettent aussi d’annuler le champ magnétique ressenti par les atomes lors de la phase de refroidissement.
Pour choisir la position des bobines, une simulation est effectuée sous FEMLAB permettant d’obtenir un champ magnétique total de 100 mG et un gradient de champ idéalement nul (Figure II.16). On prend en compte le champ magnétique créé par chaque bobine ainsi que le champ magnétique résiduel en présence du blindage en µmétal cartographié dans la partie précédente. Cela permet d’atténuer l’effet de ce champ résiduel sur nos atomes, en optimisant non pas sur le champ créé par les deux bobines de quantification mais sur le champ total présent à l’intérieur du blindage.
La simulation donne comme résultat deux bobines de rayon 36 cm comportant chacune 9 spires placées horizontalement, distantes de 27,5 cm, en configuration quasi Helmholtz. Les bobines sont installées et le champ mesuré expérimentalement à l’intérieur de l’enceinte vaut en moyenne 90 mG avec une inhomogénéité de 10% sur les 20 cm de la zone d’expérimentation.
Cette inhomogénéité entraîne un biais sur la mesure des composantes inertielles. Une car-tographie du champ magnétique, présentée sur la figure II.17, est faite à l’aide des atomes par
II.5. ENVIRONNEMENT MAGNÉTIQUE
Figure II.15 – Bobines de quantification verticale
spectroscopie Zeeman pour calculer précisément le biais introduit. Il faut noter que la valeur moyenne du champ magnétique dépend de la position du blindage, en particulier de la position de ses ouvertures. Ainsi, le champ diffère légèrement (≈ 10 mG) à chaque fois que le blindage en µmétal est retiré puis remis autour de la tête de capteur.
Pour vérifier que le champ magnétique transverse est bien négligeable devant le champ di-recteur de 100 mG, une mesure du champ transverse est effectuée à l’aide d’une sonde de champ magnétique. L’amplitude de champ transverse résiduel en présence du blindage en µmétal varie d’environ 5 mG, d’après la partie précédente. En allumant les bobines de quantification verti-cale, on mesure un champ transverse total d’environ 10 mG (et variant de 10 mG sur la zone d’expérience). Il est donc dix fois moins important que le champ vertical, ce qui est petit par rapport au champ vertical mais non nul. Pour atténuer ce champ magnétique transverse, des bobines transverses sont utilisées.
II.5.4 Bobines transverses
Ces bobines transverses ont deux rôles dans notre expérience. Lors de la mesure d’une com-posante inertielle verticale, elles compensent la comcom-posante transverse du champ magnétique mesurée dans la partie précédente. Lors de la mesure d’une composante inertielle horizontale, elles annulent le champ magnétique horizontal lors de la phase de refroidissement et créent le champ directeur afin de lever la dégénérescence des sous-niveaux d’énergie du rubidium par effet Zeeman.
Deux paires de bobines en cuivre (φcuivre = 0.56 mm) sont installées dans la configuration décrite sur la figure II.18. Chaque paire de bobines, constituée de deux bobines parallèles, crée un champ magnétique homogène dans la direction perpendiculaire aux bobines et permet de
Bobine
Blindage Section de mesure
Figure II.16 – Simulation en symétrie axiale sous FEMLAB de blindage en µmétal et d’une bobine parcourue par un 1 A placée à 104 cm de la section de mesure. A gauche : absence de blindage. A droite : présence du blindage dont la perméabilité est de 10 000. Les lignes de champ magnétique (flèches en rouge) sont créées par la bobine et déviées par le blindage.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 Champ magnétique fit polynomial C h a m p m a g n é t i q u e ( m G )
Distance au centre du PMO (cm)
Figure II.17 – Cartographie du champ magnétique par spectroscopie Zeeman. Bmoy = 90 mG
et dB = 9mG/90mG = 10%.
compenser le champ dans une direction ou de créer un champ directeur. Théoriquement, les paires doivent être installées avec un angle θ égal à 30° [126].Des bobines de cuivre de six spires sont installées avec un angle expérimental de θ=29°. Pour chaque bobine, le champ créé est mesuré par une sonde et on a vérifié que l’élévation de la température en fonction du courant est négligeable. Pour un courant de 1 A, on obtient un champ de 200 mG. Ces bobines permettent donc de parfaitement compenser le champ magnétique transverse résiduel qui avait été estimé à environ 10 mG, et de créer un champ directeur horizontal jusqu’à 200 mG. La valeur exacte du