Motivation exp´ erimentale

Sur le montage exp´erimental tel que je l’ai trouv´e en arrivant en th`ese, et tel que je l’ai d´ecrit au chapitre 1, la d´etection des ions et des atomes se faisait sur le mˆeme d´etecteur. Comme on l’a expliqu´e au 1.3.4, ce qui change dans ce dispositif pour d´etecter l’une ou l’autre esp`ece est la tension appliqu´ee `a la grille plac´ee juste au-dessus des galettes (voir figure 1.14). Avec une tension positive, la grille repousse les ions : on ne d´etecte donc que les atomes. Avec une tension n´egative, on attire les ions et on d´etecte donc les deux ensemble. Pour ne d´etecter que les ions, il est donc n´ecessaire de faire un contrˆole : on doit s’assurer que le flux d’atomes est n´egligeable par rapport au flux d’ions.

Or, il n’est a priori pas n´ecessaire de d´etecter les ions et les atomes sur le mˆeme d´etecteur. J’ai cherch´e `a s´eparer les deux types de d´etection de fa¸con `a simplifier les d´etections simultan´ees. Lors des prises de donn´ees qui ont permis la r´edaction des ar- ticles [63] et [60], il est apparu que nous devions constamment passer d’un mode de d´etection `a l’autre. Ces deux mesures reposaient en effet sur la comparaison du taux d’ions produits par le nuage d’atomes et du temps de vol du nuage d’atomes. Ions et atomes sont habituellement s´epar´es, au moins dans les mesures que nous faisons. En ef- fet, lors du fonctionnement normal du pi`ege, il n’y a presque que des ions qui s’´echappent du pi`ege, les atomes restant pi´eg´es. Jusqu’`a l’instant de la coupure, on n’observe donc que des ions. Les atomes arrivent lorsque le pi`ege est coup´e (et il n’y a alors plus d’ions, car le nuage explose et donc la densit´e diminue drastiquement). Or on ne s’int´eressait qu’`a l’´etat du pi`ege `a un instant donn´e, celui de sa coupure. A cet instant il y a encore les ions, et d´ej`a les atomes tombent. La seule chose qui nous permettait l’observation s´epar´ee de ces deux esp`eces est la dispersion par le temps de vol. Les ions ont un temps de parcours presque nul vers le d´etecteur car ils sont acc´el´er´es par le potentiel n´egatif de la grille ; les atomes ne sont acc´el´er´es que par la gravit´e, et tombent donc lentement, en 100 ms environ4. Cette diff´erence de temps de propagation vers le d´etecteur permettait donc de s´eparer deux signaux pourtant produits simultan´ement.

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Ce fonctionnement ne pose pas de probl`eme particulier. Mais il apparaˆıt tout de mˆeme plus naturel de s´eparer r´eellement les deux, ne serait-ce que pour pouvoir me- surer le flux d’ions sans avoir `a toujours v´erifier le flux d’atomes. De plus, les mesures auxquelles je viens de faire r´ef´erence ´etaient possibles car on ne s’int´eressait qu’`a l’´etat du pi`ege `a l’instant de sa coupure. Si l’on veut n’extraire qu’une partie des atomes et les d´etecter, on ne peut suivre le flux d’ions pendant ce temps.

Pour placer les d´etecteurs, la contrainte `a avoir `a l’esprit est que les atomes tombent sous l’effet de la gravit´e. Donc le d´etecteur `a atomes doit se trouver `a la verticale sous le pi`ege. Dans le cas contraire, il est vrai que les atomes d’un nuage chaud auraient encore une chance de l’atteindre (l’expansion du nuage est alors presque isotrope), mais les atomes d’un nuage froid ne seraient pas d´etect´es. A l’inverse, si l’on place un d´etecteur sous le pi`ege il n’y a pas de moyen de se d´ebarrasser des atomes dans le sous-niveau magn´etique m = 0. Les autres peuvent ˆetre ´ecart´es grˆace `a un gradient de champ magn´etique. Les atomes dans m = 0 ne sont sensibles ni aux potentiels ´electriques ni aux champs magn´etiques. Ils ne subissent que l’action de la gravit´e.

J’ai donc cherch´e `a introduire un second d´etecteur, pour les ions uniquement. Il suffit de le placer au-dessus du nuage pour ´eviter les atomes (du moins si le nuage est froid). Sur l’autre d´etecteur il suffit d’avoir en permanence un potentiel positif pour immuniser contre les ions. Nous avons un potentiel n´egatif sur notre d´etecteur d’atomes, mais comme nous le verrons plus loin, nous ne voyons tout de mˆeme pas d’ions. Les deux d´etecteurs ainsi s´epar´es, on n’a plus besoin d’alterner entre deux tensions sur la grille pour repousser ou attirer les ions. Donc on peut se passer de la grille. Et en effet, sur le d´etecteur d’atomes tel que nous l’avons mis en place, il n’y a pas de grille. Enlever la grille pr´esente un avantage non-n´egligeable en terme de d´etectivit´e. Cela ´evite de perdre l’´equivalent du facteur 0, 71 (voir 3.3.1) dˆu `a l’ombre projet´ee des grilles sur les galettes. Cela simplifie aussi la calibration de cette d´etectivit´e, car nous n’´etions pas tout `a fait certains de la valeur de ce facteur. Il pourrait en effet y avoir un guidage des ions dans les lignes de potentiel ´electrique, ce qui diminuerait ce facteur[84].

Enfin, un d´etecteur qui n’est destin´e qu’aux ions n’a pas besoin de se trouver tr`es pr`es du pi`ege d’atomes. C’est par contre le cas pour un d´etecteur d’atomes, et ceci explique que l’ancien d´etecteur a ´et´e plac´e juste 5 cm sous le centre du pi`ege, entre les brides rentrantes. Lorsqu’on veut d´etecter un nuage chaud, comme un pi`ege magn´eto-optique, l’expansion du nuage est isotrope. La d´etectivit´e finale varie donc comme l’inverse du carr´e de la distance entre pi`ege et d´etecteur. Si le d´etecteur est petit, cela pose probl`eme. Mais pour ne d´etecter que les ions, a priori on peut se mettre aussi loin que l’on veut, mˆeme avec un petit d´etecteur. De toute fa¸con les ions sont acc´el´er´es par le potentiel attracteur, et ils suivent donc des trajectoires paraboliques jusqu’aux galettes. On peut rendre les trajectoires aussi lin´eaires qu’on le veut en augmentant la tension. Le probl`eme est mˆeme plutˆot l’inverse : si l’on attire trop les ions il arrivent sur une plus petite portion du d´etecteur et ce dernier sature donc plus vite. On a donc choisi d’´eloigner le d´etecteur. Cela diminue l’encombrement au niveau du pi`ege, et augmente d’autant l’acc`es optique. Pour diriger les ions vers le d´etecteur, on a dispos´e des pi`eces sous tension. Ceci permet d’envisager des lentilles ´electro-statiques pour r´epartir le flux des ions sur le d´etecteur. Cette possibilit´e ouvrirait la voie `a une meilleure maˆıtrise de la saturation du d´etecteur. On n’a pas encore exploit´e cette possibilit´e.

En r´esum´e, ce d´etecteur doit simplifier la mesure du flux d’ions. Il ´evite un pro- bl`eme de calibration, et procure plus de souplesse pour des mesures simultan´ees des flux d’atomes et d’ions. Il permet aussi d’envisager un rem`ede `a la saturation sous les

forts flux.