Obtention d’un condensat

L’obtention et la détection d’un condensat nécessitent la mise en place de nom-breuses techniques. En plus de celles développées précédemment et de celles que je vais aborder dans la présente section, j’ai consigné dans l’annexe C les détails concernant le système d’imagerie par absorption utilisé au cours des expériences décrites dans cet ouvrage, ainsi que les détails du système d’imagerie par fluorescence que j’ai développé vers la fin de ma thèse. L’annexe A quant à elle traite de l’ensemble des dispositifs mis en place pour contrôler les champs magnétiques. Les techniques non abordées ici (refroidissement transverse du jet de chrome, asservissement des lasers) sont décrites dans les thèses de mes prédécesseurs [58,67, 55].

24. De 0.4 à 11.6 MHz, avec un taux de répétition de 10 kHz, l’amplitude du signal étant augmentée par un amplificateur 150 W Research Amplifier.

Système de contrôle informatique

L’ensemble des étapes nécessaires à l’obtention d’un condensat est commandé par un seul programme, réalisé sur le logiciel Labview v6.1 par Etienne Maréchal. Ce pro-gramme permet de définir les valeurs de sortie d’une carte digitale²⁵pour une succession d’étapes temporelles (environ 30 en pratique) de durées paramétrables (durée minimale 100 ns). A chaque changement d’étape temporelle, les signaux TTL sont basculés à la position voulue, et commandent les différents instruments (AOM, obturateurs, ...). Le pas temporel d’une étape n’est pas fixe, et aucun signal n’est transmis tant qu’aucune commande digitale où analogique ne change. Ce programme Labview commande égale-ment deux cartes analogiques²⁶ qui permettent de spécifier à chaque étape temporelle des tensions de consigne. Ceci permet par exemple de commander en courant les ali-mentations de certaines bobines (cf. AnnexeA), et ainsi de modifier (discrètement, ou par des rampes quasi-linéaires par échelons) les champs magnétiques. Le séquençage des commandes digitales et la synchronisation des cartes analogiques est assurée par l’horloge de la carte digitale, ce qui assure une bonne stabilité temporelle sur une durée de l’ordre d’une minute.

Les images par absorption prises par notre caméra CCD sont récupérées sur un deuxième ordinateur, par un autre programme Labview, qui les transmet au logiciel Igor Pro v5.05A. Les caractéristiques de nos nuages (température, nombre d’atomes...) sont alors extraites par différentes routines et fonctions d’analyses d’images, Igor Pro étant particulièrement adapté à ce type d’analyses de données. Il est également possible de fournir une liste de paramètres au logiciel Igor, qui communique les variables au programme Labview sur l’ordinateur de commande (via une connexion RS-232) et les fait varier automatiquement. Au cours de ma thèse, nous avons ainsi procédé à l’automatisation de la prise de données et à l’étoffement des routines Igor et Labview. Ceci permet à l’utilisateur de se concentrer uniquement sur le choix des données à prendre.

Etapes jusqu’à la condensation

Je décris ici le cycle temporel (cf. Fig. 1.8) utilisé afin d’obtenir un condensat de chrome, en m’appuyant sur les moyens techniques présentés précédemment. Au début d’un cycle, le MOT (faisceaux et champs magnétiques) ainsi que le faisceau du ralen-tisseur Zeeman sont allumés. Le faisceau infrarouge du piège dipolaire horizontal est superposé au MOT, afin d’y accumuler directement les atomes. Le faisceau dépompeur à 427 nm de la transition 7S₃ → 7P₃ est allumé, ainsi que les repompeurs pour les états5D₃, 5D₄ et5S₂, les faisceaux de ces deux derniers passant par le dark spot, afin d’accumuler dans le piège dipolaire les atomes dans les états métastables ⁵D4 et ⁵S2. Les balayages rf sont également enclenchés afin de charger aussi les atomes métastables

25. DIO-64 Viewpoint Systems, comportant 64 sorties TTL.

des sous-états Zeeman m_S <0. Cette étape d’accumulation dure en pratique 200 ms, mais peut être réduite à 100 ms sans conséquences néfastes, le temps de chargement en 1

e étant de 35 ms.

Figure 1.8 – Schéma d’un cycle de création d’un condensat de chrome.

A la fin de cette étape d’accumulation, le MOT, le ralentisseur Zeeman et le dé-pompeur à 427 nm sont éteints. L’obturateur du four est fermé. Tous les faisceaux des repompeurs rouges sont alors allumés, cette fois sans passer par le dark spot, afin de repomper les atomes des réservoirs métastables vers l’état fondamental7S₃. Cette étape de repompage dure 200 ms. Un champ magnétique directeur est ensuite appliqué et une impulsion lumineuse « de polarisation » est déclenchée (de 5 à 50µs par le faisceau dépompeur à 427 nm, tous les autres faisceaux étant alors éteints) afin de transférer par pompage optique tous les atomes dans le sous-état Zeeman de plus basse énergie

m_S =−3.

L’étape d’évaporation est alors lancée en équilibrant la répartition de la puissance infrarouge des pièges dipolaires horizontal et vertical (par une lame ^λ₂ motorisée, déclen-chée juste après l’impulsion de polarisation), tout en diminuant (le début de la rampe se déclenche 6 s après l’impulsion de polarisation) la puissance totale jusqu’à environ 500 mW au bout de 14 s (cf. Fig. 1.9). On obtient alors un condensat, maintenu dans le piège dipolaire croisé dont la profondeur est légèrement réaugmentée (pour rendre l’évaporation inefficace). Après extinction du piège dipolaire, ce condensat est détecté grâce au système d’imagerie par absorption (cf. Annexe C), au bout d’un temps de vol de 5 ms typiquement. Le cycle complet de création d’un condensat ne prend pas plus de 20 s (en tenant compte de la durée de réinitialisation de tous les paramètres

du cycle).

Figure 1.9 – Schéma de la rampe imposée à l’AOM du faisceau infrarouge créant le piège dipolaire croisé, durant un cycle de création d’un condensat de chrome.

Caractéristiques du condensat

A la fin du cycle, on obtient un condensat de 15000 à 20000 atomes (avec un maximum de 30000 atomes, le nombre d’atomes pouvant varier selon les conditions expérimentales, par exemple le flux du four) dans le piège dipolaire recomprimé, de fréquences27 ωx

2π =270 Hz, ^ωy

2π =380 Hz et ^ωz

2π =520 Hz. On ne discerne pas de fraction thermique sur nos images, ce qui permet d’estimer que notre fraction condensée est supérieure à 90%. Le condensat a alors un rayon de Thomas Fermi moyenR_TF ≈3.2µm et une densité au centren₀ ≈3×1020 m⁻3. Sa durée de vie à 1

e est d’environ 10 s.

Autres méthodes de condensation du chrome

La stratégie que nous avons choisie n’est pas la seule à permettre la condensation du chrome. En effet, l’équipe de Stuttgart, première à avoir condensé cet élément, a elle opté pour un piège magnétique de type Ioffe-Pritchard à la place d’un piège optique dipolaire, ce qui leur permet de démarrer leur rampe d’évaporation avec un nombre d’atomes plus important (≈ 10⁸). Toutefois, les sous-états Zeeman capturés par un piège magnétique sont ceux attirés par le minimum de champ (« low-field seeker »), qui correspondent pour le chrome aux énergies les plus élevées dans la structure fine. Or, pour les espèces fortement dipolaires comme le chrome, ces états sont sujets à la relaxation dipolaire (cf. chapitre 2), collisions inélastiques qui convertissent l’énergie magnétique en énergie cinétique. Ce processus s’est avéré néfaste pour l’obtention de la condensation, et il a été nécessaire de transférer, après une étape de pré-évaporation, 27. déterminées par des oscillations paramétriques de la puissance du faisceau du piège dipolaire.

les atomes dans un piège dipolaire optique, dans le sous-état le plus bas en énergie

m_S =−3[13].

Récemment, une nouvelle méthode [68] a été mise en place par cette même équipe. Elle est basée sur le chargement en continu d’un piège dipolaire, à partir d’un flux d’atomes suffisamment lent. En pratique, ils utilisent un MOT dont les faisceaux sont décalés en fréquence, déplaçant ainsi de façon contrôlée et continue les atomes jusqu’à un guide magnétique. Les atomes sont amenés par ce guide magnétique jusqu’au piège dipolaire, où ils sont freinés grâce à la combinaison d’une barrière de potentiel magné-tique et de pompage opmagné-tique sur la transition7S3 →7P3. L’avantage d’un tel procédé est que les atomes ne sont plus sujets aux forts taux de collisions inélastiques assistées par la lumière. Leurs récents résultats [69] démontrent la faisabilité de cette technique, qui permet même un chargement du piège dipolaire suffisant pour l’obtention d’un condensat de chrome.