La détection

Pour détecter les atomes, on utilise un système de détection par ionisation. Les états de Rydberg circulaires sont en eet très proches de la limite d'ionisation. Un champ élec-trique de l'ordre d'une centaine de V/cm sut pour extraire l'électron de valence, qui est ensuite détecté par un multiplicateur d'électron. A deux états de Rydberg circulaires diérents correspondent deux champs d'ionisation bien distincts. Ainsi le système de dé-tection mesure l'état d'énergie interne de l'atome. Il a été modié par rapport au dispositif précédent. La thèse de doctorat d'Alexia Auèves [67] détaille la mise en place du nou-veaux système de détection et les mesures de ses perfomances. Nous nous bornerons ici à présenter rapidement ses caractéristiques.

Cathode: -40...-60 V Anode: 12.5 V 400 V 500 V lentilles électrostatiques jet atomique 100 V 1er détecteur 2ème détecteur

Fig. 2.9  Schéma du système de détection.

Le système de détection actuel est schématisé dans la gure 2.9. Deux détecteurs sont présents dans le montage. Ils sont situés sur l'axe du faisceau atomique après la cavité micro-onde. Les deux détecteurs fonctionnent sur le même principe de mesure : l'atome est ionisé dans les deux cas par l'application d'un champ électrique entre deux électrodes. Après ionisation, l'électron est focalisé sur la fenêtre d'entrée d'un multipli-cateur d'électrons par un système de lentilles électrostatiques utilisant des tensions de quelques centaines de volts. Le multiplicateur transforme l'électron en un signal de cou-rant mesurable avec un système électronique standard. Au-delà de ces caractéristiques communes, le fonctionnement des deux détecteurs est assez diérent.

Le premier détecteur

Le premier détecteur rencontré par les atomes présente deux électrodes d'ionisation planes. Puisque le champ électrique entre les deux électrodes est uniforme, il est nécessaire d'appliquer une rampe de tension sur une des deux électrodes pour pouvoir ioniser les atomes en face du trou d'entrée des lentilles électrostatiques. Au cours des expériences la rampe de tension est appliquée sur l'électrode supérieure, la cathode. La g. 2.10 montre un signal d'ionisation acquis en utilisant le premier détecteur. On distingue dans le signal trois pics correspondant aux états circulaires |n = 52i (état intermédiaire de la préparation des atomes |ei et |gi), |ei et |gi.

jet atomique

1er détecteur

+32 V

Fig. 2.10  Signal d'ionisation du premier détecteur. Dans le cadre en bas est représentée la rampe de champ électrique appliquée sur la cathode.

Selon son état d'énergie, en eet, l'atome est ionisé à des instants diérents. Plus l'état de Rydberg circulaire est déni par un nombre quantique principal élevé, moins le champ d'ionisation est grand. En synchronisant avec précision la rampe de champ électrique et l'électronique de détection, il est possible de mesurer l'énergie de l'atome. Le

trou au centre de l'anode qui laisse passer les électrons vers les lentilles électrostatiques a un diamètres de 6 mm, comparable au diamètre intérieur des lentilles. La grande taille du trou permet aux électrons de passer, indépendamment de la position où l'atome est ionisé. Lorsque les séquences expérimentales contiennent plusieurs paquets atomiques, nous pouvons détecter, dans chaque séquence, les atomes de tous les paquets dans tous les états atomiques. Il sut, pour cela, de jouer une rampe d'ionisation lors du passage de chaque paquet d'atomes. Puisque la rampe d'ionisation doit être synchronisée avec le passage des paquets atomiques, le premier détecteur peut être utilisé uniquement avec des atomes sélectionnés en vitesse.

Le deuxième détecteur

Dans le deuxième détecteur la cathode est inclinée et produit un gradient de champ électrique. A diérence de potentiels xe entre les deux électrodes du détecteur, le champ électrique créé entre les deux électrodes augmente au fur et à mesure que les atomes avancent dans leur trajectoire, jusqu'à atteindre une valeur maximale. Pour une valeur précise de la diérence de potentiels entre les deux électrodes, le champ électrique maximal est le champ d'ionisation de l'état atomique considéré. Dans ce cas, l'électron arraché à l'atome traverse le petit trou au centre de l'anode, qui a ici un diamètre de 2 mm, et atteint le multiplicateur d'électrons après le passage dans les lentilles électrostatiques. Pour de mauvaises valeurs de diérence de potentiel, l'électron est arraché au mauvais endroit et tombe sur l'anode en dehors du trou. La gure 2.11 montre une courbe d'ionisation acquis avec le deuxième détecteur. Pour l'obtenir, on répète un grand nombre de séquences, avec chaque fois, une valeur diérente du champ d'ionisation. L'accumulation des données fournit le signal de la gure. On remarque en particulier la largeur du pic associé à l'état de Rybderg circulaire déni par n = 52 en comparaison avec ceux associés aux états circulaires n = 51, n = 50 et n = 49. L'état circulaire n = 52 est atteint à la n du processus de circularisation. Cette largeur est une indication de l'imperfection du transfert des états de Rydberg de faible moment cinétique vers l'état circulaire n = 52. En réalité, lors de ce processus, on excite aussi des états de la multiplicité n = 52 diérents du circulaire. Leur tension d'ionisation étant très légèrement diérente, on assiste à un élargissement du pic d'ionisation. Expérimentalement, nous nous aranchissons de ces atomes en utilisant une technique de purication expliquée en annexe. Elle permet d'aner les pics d'ionisation.

Lorsqu'un atome passe dans le deuxième détecteur, on ne peut détecter qu'un seul état atomique à la fois, car la diérence de potentiel entre les électrodes est réglée de manière à ioniser en face du petit trou un seul état atomique. Par conséquent, puisqu'on s'intéresse généralement à la probabilité de détecter l'atome dans l'un des deux états, il est nécessaire de répéter les séquences expérimentales deux fois, la première avec le champ ionisant programmé pour détecter l'un des deux états atomiques, la second pour détecter l'autre état.

À partir des données accumulées, on reconstruit la probabilité d'avoir l'atome dans un des deux états. Le deuxième détecteur, par conséquent, impose de doubler le nombre de séquences expérimentales pour chaque atome à détecter dans la séquence expérimentale. Dans les expériences où l'on veut détecter deux ou trois atomes, il est nécessaire de

n=49 n=50 n=51 n=52

Tension d'ionisation [u. a.]

Nombre d'atomes [

u

. a.]

Fig. 2.11  Signal d'ionisation du deuxième détecteur.

multiplier par un facteur respectivement égal à 4 ou 8 le nombre de séquences, ainsi que le temps d'acquisition. Ceci représente un désavantage par rapport au premier détecteur qui, comme on l'a vu, détecte pour chaque séquence tous les atomes de tous les paquets atomiques.

Le deuxième détecteur, en revanche, ne nécessite pas que les atomes soient sélec-tionnés en vitesse. Pour cette raison il est utilisé dans toutes les phases préliminaires de calibration, où la sélection de vitesse n'est pas utilisée, et dans la procédure de réglage de la sélection de vitesse elle-même.

L'ecacité de détection du détecteur est de (90±10)%. Cette valeur est vraisembla-blement limitées par l'ecacité imparfaite des multiplicateurs d'électrons. Une erreur de l'ordre de 2% dans la discrimination entre les diérents états d'énergie est causée par le recouvrement entre les pics d'ionisation correspondants à deux niveaux circulaires voisins.