Une nouvelle approche : le jet atomique continu et l'io-

L'objectif de cette thèse est donc d'étudier la faisabilité d'une source d'ions brillante de forte intensité et de faible dispersion en énergie.

Nous avons vu que l'utilisation d'un plasma ultra-froid présentait quelques limitations dans les conditions actuelles. L'extraction d'un faisceau de parti-cules issu d'un piège magnéto-optique ne permet pas à l'heure actuelle d'obte-nir un faisceau d'ions de fort ux associé à une faible dispersion énergétique3. Concernant, les limitations des nombreuses sources à atomes froids conçues jusqu'à présent, nous avons développé d'autres chemins d'exploitation du re-froidissement d'atomes.

Le schéma privilégié est similaire à celui développé par Freinkman et al. [52]. L'expérience proposée est illustrée par la gure 1.24. Il est suggéré de générer des faisceaux d'ions refroidis an de limiter la divergence du faisceau et donc les aberrations dans la colonne optique. Pour ce faire, ils proposent de collimater par laser un jet atomique issu d'un four eusif. L'ionisation se fait alors toujours par laser. Le problème de la photo-ionisation pour l'ob-tention d'une source d'ions demeure. La nécessité d'une forte puissance laser nécessaire à l'ionisation est même évoquée.

Nous allons développer dans le paragraphe suivant les choix technolo-giques que nous avons privilégié an de produire une source ultra-froide d'ions césium. Le faible courant de sources issus des MOTIS est une limitation. Nous nous sommes donc inspirés de la proposition ci-dessus. Nous avons choisi de partir d'un four qui produira un fort ux utile lors de l'ionisation. De plus, ce four permettra l'obtention d'un jet d'ions continu.

3. Dans notre cas, on parle d'un faisceau de faible dispersion en énergie lorsque ∆E  ∆ELM IS=4.5 eV.

Figure 1.24  Schéma de principe de l'expérience proposée par Freinkman et al.. La gure est adaptée de [52].

C'est pour conserver ce fort ux et minimiser la dispersion énergétique que nous emploierons la technologie du refroidissement d'atomes. Il sera alors nécessaire de collimater et de compresser le jet d'atomes par laser. Nous rédui-rons les vitesses transverses thermiques du jet d'atomes tout en augmentant la densité d'atomes à ioniser. Pour cela, nous utiliserons une mélasse op-tique transverse couplée à un fort champ magnéop-tique. On parlera d'un piège magnéto-optique à deux dimensions, le MOT-2D.

L'idée innovante concerne l'étape d'ionisation de ce jet d'atomes étant donné le dilemme induit par l'ionisation par photo-ionisation. De ce fait, ce procédé ne pourra jamais apporter de manière concluante un fort ux d'ions et une faible dispersion en énergie. Nous nous sommes donc portés sur l'ionisation par champ d'atomes de Rydberg. Les formidables propriétés de ces états atomiques créés sous la limite d'ionisation nous permettront de contourner cette diculté.

Il est convenable d'expliquer notre choix de privilégier l'élément césium. Il est reconnu que le laboratoire Aimé Cotton dans le cadre duquel cette thèse a été eectuée a une relation privilégiée et historique avec l'atome de césium. De nombreuses et riches expériences ayant pour acteur cet atome ont été montées entre ces murs. Cette connaissance accrue des équipes du laboratoire des techniques de refroidissement de cet élément en faisait un choix somme toute évident. De plus, de façon plus prosaïque les techniques de refroidissement sont bien connues et maitrisées. Les faisceaux laser néces-saires au refroidissement de l'atome sont également accessibles aux travers d'éléments optiques standards (notamment les diodes lasers). Mais ce n'est pas tout. Dans l'optique d'une application FIB à cette toute nouvelle source

d'ions, le césium présente également quelques avantages. Le césium, faisant partie de la famille des alcalins, est un élément très réactif. Cette sensibi-lité chimique s'avère très utile dans le cadre d'une analyse SIMS, procédé que nous avons développé précédemment. C'est donc essentiellement pour ces raisons de connaissance et de possible utilisation de l'élément que nous sommes partis pour développer une source d'ions césium.

Le montage de l'expérience développée dans ce manuscrit qui vise à pro-duire une source ultra-froide d'ions césium est schématisé par la gure 1.25.

Figure 1.25  Schéma de principe de l'expérience ColdBeam. Un jet ato-mique de césium est produit par un four à recirculation. Le jet atoato-mique est ensuite collimaté et compressé par refroidissement laser. Les atomes du jet atomique sont excités vers des états de Rydberg pour nalement être ionisés par champ électrique.

Dans les prochains chapitres, nous développerons chaque étape de pro-duction de la source d'ions césium brillante.

Chapitre 2

Développement d'un jet atomique

de césium refroidi

Dans le cadre du développement de notre source brillante d'ions césium, notre choix s'est porté sur la production d'un jet d'atomes qui sera collimaté et comprimé par laser. Ce choix s'explique par la volonté d'obtenir un jet continu et de fort courant. Cette source d'atomes sera l'objet de ce chapitre. Nous étudierons les caractéristiques de notre jet d'atomes issu d'un four à recirculation. Après une étude du fonctionnement de ce four spécique, nous en évaluerons les performances. L'étude théorique se poursuivra par un dé-veloppement sur la collimation du jet atomique par laser et un rapide aperçu de l'étape de compression. La suite sera consacrée au montage expérimental et à la caractérisation du jet atomique obtenu.

2.1 Le four à recirculation