Dans ce chapitre nous abordons la dernière étape de piégeage de l'expérience, à savoir le con nement du gaz dans un piège optique dipolaire. Le nouveau montage utilise un laser à bre de très haute puissance et permet la manipulation de la géométrie du potentiel de piégeage au cours de l'expérience. A n d'ajuster la force des interactions dans le gaz à l'aide de résonances de Feshbach nous avons conçu un système de génération et de contrôle des champs magnétiques exible, que nous passons également en revue. Le montage actuel n'a pas encore permis l'obtention d'un super uide fermionique. Nous décrivons donc la stratégie de refroidissement utilisée dans l'ancien dispositif et proposons un certain nombre d'améliorations. En n, les systèmes d'imagerie qui ont été installés pour détecter l'état du gaz sont discutés en détail.
7.1 Piégeage dipolaire
A n d'étudier le gaz de Fermi dans le régime de forte interaction nous utilisons des résonances de Feshbach. Or, comme nous avons vu dans le chapitre 2, seuls les états du lithium qui ne sont pas magnétiquement piégeables disposent de telles résonances. Cela impose l'utilisation d'un piège optique dipolaire, qui permet de con ner les atomes indépendamment de leur état interne. Nous pouvons ainsi découpler le piégeage et l'ajustement de la force des interactions. Le premier est assuré par le faisceau du piège dipolaire et le deuxième par la valeur du champ magnétique externe.
Cette section est consacrée à la description de la conception, de la réalisation pratique et des performances du nouveau piège dipolaire qui a été installé sur l'expérience. Rappelons que, au fond du piège, le potentiel U fourni par un faisceau gaussien très désaccordé vers le rouge de la transition atomique est en bonne approximation harmonique et peut s'écrire comme
U =− |U0| + 1 2m ω 2 radr2+ ω2axz2 avec (7.1) U0= ~Γ 2P 4πw2 0Isat|δ|, ωrad = s 4|U0| mw2 0 et (7.2) ωax= s 2|U0| mzR2 = λ √ 2πw0ωrad ωrad, (7.3)
où P , λ, w0, zR et δ désignent respectivement la puissance, la longueur d'onde, le col, la longueur de Rayleigh et le désaccord du faisceau, tandis que Isatest l'intensité de saturation de la transition atomique.
Par rapport à l'ancien montage nous avons introduit deux modi cations essentielles : d'une part, nous utilisons un laser avec une puissance dix fois supérieure, ce qui permet
d'atomes et à des températures plus élevées. Comme l'évaporation est considérablement plus e cace dans le piège dipolaire, nous espérons ainsi augmenter le nombre de fermions fortement dégénérés ;
nous avons également installé un système optique qui permet la manipulation de la géo-métrie du potentiel optique au cours de l'expérience, ce qui augmente considérablement le nombre d'expériences qu'il est possible de réaliser.
7.1.1 Montage expérimental
Comme dans l'ancien dispositif expérimental, le piège dipolaire est réalisé à l'aide de faisceaux de longueur d'onde ∼ 1 µm. La raison en est qu'il existe un grand choix de lasers commerciaux proches de cette valeur, qui est par ailleurs su samment éloignée de 671 nm pour garantir un faible taux de chauage du nuage. En eet, si la profondeur du piège U0 est proportionnelle à P/δ, le taux de chauage est donné par Γ0
ch.∝ P/δ2 [237].
Nous disposons de deux faisceaux croisés à 90° pour le piège dipolaire. Cela permet premiè-rement d'obtenir un piège plus con nant, et donc une évaporation a priori plus e cace. Par ailleurs, l'emploi de deux faisceaux permet de modi er la géométrie du piège en ajustant le rap-port des puissances des deux faisceaux, ce qui peut s'avérer utile pour de nombreuses expériences. Dans notre montage expérimental l'un des faisceaux se propage selon la direction verticale, tandis que le faisceau horizontal coïncide avec l'axe de con nement faible du piège magnétique ( gure 7.1). Faisceau vertical Barres Ioe Faisceau horizontal Appendice Bobines de compensation Bobines Pinch
Figure 7.1 Schéma du piège dipolaire utilisé dans l'expérience. Il est constitué de deux faisceaux alignés selon la direction de con nement faible du piège Ioe et selon la direction verticale.
Système optique
Dans le nouveau dispositif expérimental le faisceau horizontal du piège dipolaire est fourni par un laser à bre dopé à l'ytterbium de haute intensité1. La longueur d'onde du laser est de 1071 nm, avec une largeur spectrale de 2.64 nm. La puissance maximale est de 125 W dans un mode gaussien TEM00 de bonne qualité (coe cient M2 = 1.08 spéci é). Remarquons que
l'emploi d'un laser de puissance élevée impose l'utilisation d'éléments optiques adaptés, avec des substrats en silice fondue qui minimisent les eets thermiques.
La gure 7.3 schématise le montage expérimental actuel, où le nombre d'éléments optiques a été réduit au strict minimum a n de préserver la qualité du mode spatial. Nous avons observé que celui-ci change en fonction de la puissance de sortie du laser. Il en va de même pour le bruit en intensité du faisceau, qui est minimal pour Pmax ∼ 125 W. Nous opérons donc toujours à puissance maximale, et avons placé en sortie de bre une lame demi-onde suivie d'une séparatrice dépendante de la polarisation2 a n de pouvoir ajuster la puissance dirigée vers l'expérience. Le reste est dirigé vers un piège à lumière constitué d'un bloc de cuivre refroidit à eau et percé d'un trou en spirale où est envoyé le faisceau. L'ensemble est peint en noir a n d'éviter les ré exions parasites.
Le faisceau en sortie de bre a un col de 2.5 mm, réduit à 1 mm avant de traverser deux modulateurs acousto-optiques3 qui dé échissent selon deux direction orthogonales. Comme nous le verrons dans la section suivante, cela nous permet de contrôler et d'ajuster de façon précise la position et la forme du potentiel optique produit. Remarquons que dans cette con gura-tion l'astigmatisme introduit par le premier modulateur acousto-optique est compensé par le deuxième. Le résultat est un mode spatial de meilleure qualité au niveau des atomes ( gure 7.2). La focalisation sur le nuage atomique est eectuée à l'aide d'une lentille dont la longueur focale est xée par les contraintes géométriques de l'expérience (∼ 400 mm pour le faisceau horizontal et ∼ 700 mm pour le vertical). En n, la valeur du col du faisceau au niveau des atomes est dé-terminée par le grandissement du télescope placé après le deuxième modulateur acousto-optique, qui xe la taille du faisceau sur la lentille de focalisation.
L'utilisation d'un laser de cette puissance nécessite une atmosphère de travail propre. En eet, la moindre particule présente dans l'air peut être piégée dans un maximum d'intensité du faisceau et il est facile d'endommager les éléments optiques en brûlant des poussières déposées sur leur surface, ce qui dégraderait sérieusement le mode spatial du faisceau. Nous avons donc installé un système de ux laminaire4 sur la table de l'expérience. Par ailleurs, toutes les modi cations du col du faisceau sont réalisées à l'aide de télescopes de Galilée (lentilles convergente+divergente), ce qui évite l'existence de points de focalisation super us. En n, un ux d'air sec supplémentaire permet d'assurer la propreté des modulateurs acousto-optiques et de la cellule, où la taille du faisceau est minimale.
Pour le faisceau vertical nous utilisons le même laser YAG que dans l'ancien montage5, de longueur d'onde 1064 nm et de puissance 6 W. Le montage optique ( gure 7.3) est similaire à celui du faisceau horizontal. Nous utilisons deux lasers indépendants pour les deux faisceaux du piège. La raison en est que plusieurs groupes ont observé des taux de pertes très importants dans des pièges croisés de6Li lorsque les deux faisceaux sont issus d'un même laser à bre de grande largeur spectrale comme le notre. Ils attribuent cet eet à des transitions Raman : les atomes absorberaient des photons d'un faisceau et les re-émettraient dans l'autre, ce qui aurait pour conséquence un transfert d'impulsion important et donc le chauage du nuage6. Par ailleurs, ces processus sont fortement réduits lorsque les deux faisceaux ont des polarisations orthogonales ou forment un petit angle [238]. Dans notre con guration, l'utilisation de deux lasers de longueurs d'onde très diérentes devrait éliminer complètement le problème.
2. Polariseur Brewster Linos Photonics 8450-400-100-8.
3. IntraAction ATM-803DA6M, avec un cristal en TeO2 refroidit à eau. 4. ADS Laminaire, trois caissons de ltration type Motojet 6/12. 5. Laser Spectra-Physics T40-Z-106C-02 SN 901.
6. Ce problème est absent dans le cas du87Rb, ce qui semble indiquer que la structure hyper ne très étroite du6Li est impliquée.
134 Chapitre 7. Piégeage dipolaire et détection - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0