Dans cette partie, je présente la dernière étape avant la capture dans le piège magné-tique, le pompage optique. Je commence par décrire le principe et la configuration que nous utilisons. Je termine par l’explication de la méthode d’optimisation et de caractérisation.
A la fin de la mélasse les atomes sont tous dans le sous-niveau hyperfin F = 2 pour le
87Rb et F = 3 pour le 85Rb. Ces sous-niveaux hyperfins comportent 2F + 1 sous-niveaux
magnétiques dont seulement un nombre F d’entre eux sont piégeants. De plus, seul l’état le plus polarisé nous intéresse, car il perçoit la plus grande force de rappel magnétique. Au moment de l’allumage du piège magnétique si le nuage n’est pas polarisé, seulement 1/5
des atomes de 87Rb sont dans le sous-niveau magnétique piégeant mF = +2 et 1/7 pour le
85Rb sont dans le niveau le plus piégeant mF = +3. C’est pourquoi nous ajoutons une étape
de pompage optique des atomes dans le sous-niveau magnétique le plus piégeant avant le chargement du piège magnétique. La figure 3.20 schématise l’action et la configuration du pompage optique dans notre expérience.
3.7. Pompage optique. 103 -2 -1 0 +2 +1 F=2 F’=2 -2 -1 0 +2 +1 + F’=3 -3 -2 -1 0 +3 +2 +1 -3 -2 -1 0 +3 +2 +1 F=3 +
Figure 3.20 – Cette figure représente le fonctionnement du pompage optique. En haut à
gauche et à droite respectivement les structures hyperfines du 85Rb et87Rb de la transition de pompage. Les flèches rouges et bleues représentent les transitions adressées par le laser de pompe. Les flèches orange et verte indiquent la transition par émission spontanée vers l’état noir. En bas le schéma représente notre configuration expérimentale. Les flèches
violettes sont les faisceaux contenant les deux fréquences de pompe et repompe pour chacun des isotopes. Le faisceau est réfléchi sur le miroir de la puce à gauche en bleu ciel. Les polarisations par rapport à leur direction de propagation sont notées cg pour circulaire gauche et cd pour circulaire droite. Enfin, un atome (rond bleu) est symbolisé avec son moment magnétique aligné suivant le champ magnétique homogène B.
direction Z. La norme de ce champ est de ∼ 1G, de façon à ce que la levée de dégénérescence ∆f = 0.7MHz soit inférieure à la largeur de la transition. Un faisceau laser de “pompe” est rétro réfléchi au centre du miroir de la puce. Sa direction de propagation est donc alignée avec la direction du champ magnétique. Les photons incidents sont polarisés circulaire droit par rapport à leurs vecteurs d’ondes. Leur polarisation change de sens avec l’inversion du sens de propagation après la réflexion en incidence normale sur la puce. Dans le référentiel des atomes la polarisation est donc inchangée et seule la direction de propagation change. L’intérêt de la contre propagation est diminuer la force de pression de radiation, car les pro-babilités d’absorber des photons provenant de chacune des deux directions sont identiques.
La fréquence du faisceaux pompeur est à résonance avec la transition |F = 2 → F′ = 2i du
87Rb et |F = 3 → F′ = 3i du85Rb. La polarisation circulaire permet de faire en sorte que le
sous-niveau magnétique piégeant le plus polarisé soit le seul à ne pas interagir avec le champ laser. Enfin, la désexcitation par émission spontanée mène à une accumulation des atomes dans cet état (voir figure 3.20).
Le champ magnétique est ensuite lentement éteint durant les 3 ms d’allumage du piège magnétique. Ceci est suffisamment lent pour permettre un suivi adiabatique des lignes de champs par le moment magnétique des atomes.
CM+P+RP rien RP P+RP CM+P
N87(×109) 7.47 ± 0.2 2.71 ± 0.05 2.89 ± 0.07 7.41 ± 0.14 0.95 ± 0.017
N85(×109) 1.88 ± 0.06 0.55 ± 0.05 1.19 ± 0.04 1.84 ± 0.06 0.58 ± 0.04
Table 3.1 – Ce tableau regroupe les nombres d’atomes présents après 100 ms de tenue dans
le piège magnétique, 3 ms de temps de vol et moyennés 10 fois. Le temps de l’étape de pompage optique est identique pour chaque colonne mais les trois éléments necessaires au pompage optique sont y présents ou absents. Ces éléments sont : CM le champ magnétique,
P la fréquence de pompage et RP la fréquence de repompage. Chacune des deux lignes relate les nombres d’atomes pour un nuage pur de 87Rb ou de 85Rb.
Pour évaluer l’efficacité du pompage optique nous aimerions connaitre les populations des différents sous-niveaux Zeeman. Une méthode classique consiste a réaliser une expérience de Stern et Gerlach. En effet nous pouvons imaginer allumer le fil de la puce générant ainsi un
gradient de b = 40 G.cm−1 au niveau de la mélasse optique. Ce gradient permet d’appliquer
une force de norme et de sens différent sur les atomes selon le sous-niveau magnétique dans lequel ils se trouvent. En supposant un gradient homogène et une mélasse à température nulle nous pouvons évaluer le temps nécessaire à la séparation de deux paquets d’atomes de
nombre mF consécutif, d’une distance équivalente à la largeur initiale σ de la mélasse. Ce
temps est donné par :
t=
s
2mσ
gFµBb (3.23)
où m est la masse des atomes, µB est le magnéton de Bohr et gF est le facteur de Landé.
Ce calcul donne un temps d’environ 17 ms pour séparer deux nuages de 1.8 mm. Malgré nos approximations très optimistes, le temps calculé est de l’ordre du temps de chute avant que les atomes sortent du champ de vue de la caméra. Ce qui rend cette expérience difficilement réalisable.
La méthode que nous utilisons pour évaluer l’efficacité du pompage optique est donc de mesurer le nombre d’atomes capturés dans le piège magnétique. L’alignement, la fréquence et la polarisation ont été mesurés et réglés indépendamment des atomes. Les seuls paramètres ajustables ont été la puissance et le temps de l’étape de pompage optique. L’optimisation de ces paramètres a été réalisée en priorité via l’observation du rubidium 87 en maximisant le nombre d’atomes capturés dans le piège magnétique.
Le tableau 3.1 permet de résumer le nombre d’atomes présents dans le piège magnétique après différentes configurations de pompage optique pour caractériser la composition du nuage. Nous pouvons voir dans un premier temps que le nombre d’atomes capturés est plus important avec un flash de repompeur (colonne 4) que sans (colonne 2). La raison est que la probabilité d’être dans un état piégeant est plus faible pour la valeur de F la plus petite de l’état fondamental. Un flash de repompeur permet de transférer les atomes dans le sous-niveau hyperfin supérieur de l’état fondamental. Nous supposerons qu’après la mélasse et un flash de repompe tous les atomes sont equi-répartis dans les sous niveaux Zeeman de l’état
fondamental F = 3 pour le 85Rb et F = 2 pour le 87Rb.
Si les atomes dans les sous niveaux magnétiques mF > 0 étaient tous capturés avec
la même efficacité, alors seulement 3/7 et 2/5 du maximum d’atomes seraient capturés