Les ´etapes vers de la d´eg´en´erescence quantique

L’obtention de la d´eg´en´erescence quantique dans un gaz de bosons n´ecessite la r´ealisation d’un nuage `a tr`es basse temp´erature dans lequel la densit´e atomique reste ´elev´ee : il s’agit de

r´ealiser un gaz atomique pour lequel la densit´e dans l’espace des phases est de l’ordre de l’unit´e [nΛdB∼1]. A titre de comparaison, la densit´e dans l’espace d’un gaz `a temp´erature et pression

ambiante est de l’ordre de 10−8 _at.cm−3_{. L’obtention exp´erimentale de la d´eg´en´erescence quan-}

tique s’av`ere capricieuse dans la mesure o`u de nombreuses ´etapes avec un cheminement quelque peu erratique dans l’espace des phases sont n´ecessaires. La figure 3.3 pr´esente l’´evolution dans l’espace des phases du nuage atomique au cours de ces diff´erentes phases sur notre exp´erience.

-25 -20 -15 -10 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 four jet ralentissement piège magnéto-optique évaporation compression adiabatique log₁₀(n) (cm-3₎ lo g10 (ΛT 3 ) (c m 3) Conde_nsatio n

Fig. 3.3 – L’odyss´ee dans l’espace des phases vers l’obtention d’un gaz de Bose d´eg´en´er´e... Le dispositif exp´erimental de la ”manip BEC1”ainsi que les diff´erentes phases qui permettent la r´ealisation d’un condensat de Bose-Einstein de87Rubidium ont ´et´e d´ecrits en d´etail dans les

th`eses de nos pr´ed´ecesseurs [129–132]. Dans l’annexe A nous pr´esentons quelques donn´ees sur l’atome de Rubidium. Nous allons ici tr`es succinctement rappeler ces diff´erentes ´etapes et d´e- crire notre dispositif exp´erimental ”BEC1”.

La manipulation d’un gaz atomique `a tr`es basse temp´erature n´ecessite d’isoler ce gaz d’´echanges thermiques ´eventuels. A l’int´erieur d’une enceinte, la limitation principale vient des collisions avec le gaz r´esiduel. Un cycle exp´erimental pour la r´ealisation d’un condensat de Bose-Einstein dure environ 1 minute. Il faut donc que les collisions entre notre nuage atomique et le gaz r´esiduel dans l’enceinte `a 300 K soit n´egligeable pendant la dur´ee de ce cycle. La pression r´esiduelle qu’il faut atteindre pour cela est de l’ordre de quelques 10−11 _mbars.

La figure 3.4 pr´esente le dispositif exp´erimental de la ”manip BEC1” permettant de tra- vailler dans des conditions de pression suffisante `a l’obtention d’un condensat dans l’enceinte secondaire.

Les diff´erentes ´etapes exp´erimentales du refroidissement laser

Une vapeur d’atomes du Rubidium est extraite d’un four `a 120◦_{C et se r´epand dans l’enceinte}

y

y z

z

x

Fig. 3.4 – Dispositif exp´erimental de l’exp´erience ”BEC1”. Les atomes de Rubidium sont extraits du four `a haute temp´erature (∼ 140◦_{C). Les faisceaux laser de la m´elasse transverse collimatent}

le jet atomique qui entre ensuite dans le ralentisseur Zeeman. Lorsqu’ils parviennent dans la cellule de l’enceinte secondaire, les atomes sont suffisamment refroidis pour ˆetre captur´es dans le pi`ege magn´eto-optique. Les atomes sont alors transf´er´es dans le pi`ege magn´etique o`u l’´eva- poration RF conduit `a l’obtention d’un condensat de Bose-Einstein.

des seuls atomes dont la vitesse transverse n’est pas trop ´elev´ee. Nous utilisons ´egalement une m´elasse transverse (sur la transition |F = 2 >→ |F0 _{= 3 >) dans l’enceinte primaire afin de}

collimater le jet atomique.

Le jet atomique sortant de l’enceinte primaire rejoint la cellule de l’enceinte secondaire `a travers un sol´eno¨ıde de section inhomog`ene `a l’int´erieur duquel le jet atomique est ralenti (de 130 `a 50 m/s environ) par l’action d’un faisceau laser contra-propageant d´esaccord´e de 133 MHz vers le rouge de la transition cyclante |F = 2 >→ |F0 _{= 3 > (voir annexe 1). A l’int´erieur de ce}

sol´eno¨ıde, le champ magn´etique inhomog`ene engendre un d´eplacement des ´etats atomiques qui permet de compenser l’effet Doppler afin de rester proche de r´esonance (pression de radiation grande).

Les atomes ralentis du jet peuvent alors ˆetre captur´es dans le pi`ege magn´eto-optique (PMO) de l’enceinte secondaire constitu´e, d’une part, par un champ magn´etique quadrupolaire cr´e´e par deux bobines (configuration anti-Helmoltz) et, d’autre part, par six faisceaux lasers contra-

propageant d´esaccord´es de 12 MHz de la transition cyclante |F = 2 >→ |F0 _{= 3 > [voir figure}

3.5 b)]. Le m´ecanisme de refroidissement Doppler limite la temp´erature du nuage du PMO `a ~Γ/kB∼100 µK et le m´ecanisme de refroidissement Sisyphe permet d’obtenir une temp´erature

inf´erieure de l’ordre de 40 µK. Nous chargeons typiquement 5 × 108 atomes dans le PMO.

Pour compenser la d´esexcitation possible des atomes de |F0 _{= 2 > vers |F = 1 >, sortant}

ainsi de la transition cyclante du PMO nous utilisons un faisceau repompeur sur la transition |F = 1 >→ |F0 _{= 2 >.}

Afin de transf´erer un grand nombre d’atomes dans le pi`ege magn´etique, la densit´e du nuage avant le transfert doit ˆetre augment´ee. Or, lorsque la densit´e atomique devient importante (∼ 108₋109 at/cm3), les atomes du PMO ne peuvent plus ˆetre d´ecrits comme des atomes ind´e-

pendant subissant la force de friction lumineuse et la force de rappel magn´etique. Les photons spontan´es peuvent en effet ˆetre absorb´es par le nuage atomique avec une probabilit´e ´elev´ee, conduisant `a une augmentation de la temp´erature et une saturation de la densit´e atomique `a ∼ 1010 _at/cm3_{. Afin de circonvenir cet effet, nous pla¸cons un cache au centre des faisceaux}

repompeurs lat´eraux5 _{afin de laisser les atomes dans l’´etat noir |F = 1 > pour les faisceaux}

du PMO. Cette technique appel´ee Dark Spot est moyennement efficace pour les atomes de Rubidium. Nous utilisons ´egalement un faisceau d´epompeur dont la section est ´egale `a celle du cache du Dark Spot pour augmenter le nombre d’atomes dans l’´etat noir : cette technique est appel´ee Ultra-Dark Spot. A la fin de ces deux phases la densit´e atomique a augment´e d’un ordre de grandeur (∼ 1011 _at/cm3_{) mais la temp´erature du nuage atomique (quelques centaines}

de µK) est trop ´elev´ee pour un transfert efficace vers le pi`ege magn´etique. Une phase de m´e- lasse optique permet de diminuer la temp´erature du nuage (au prix d’une perte de densit´e). Le nuage est alors transf´er´e dans le pi`ege magn´etique o`u la phase suivante de refroidissement par ´evaporation radio-fr´equence va avoir lieu.

Un sch´ema r´ecapitulatif des diff´erents lasers utilis´es sur notre exp´erience est pr´esent´e dans l’annexe A.

Dans le paragraphe suivant nous d´ecrivons notre pi`ege magn´etique et le transfert vers ce dernier o`u a lieu le processus d’´evaporation conduisant `a la d´eg´en´erescence quantique.