3.4 Conclusion et perspectives
4.1.3 Le principe de notre mesure
Dans notre exp´erience, le rapport mh
Rb, et donc α sont d´eduits de la mesure de la vitesse de recul de l’atome de rubidium.
vr = k
L’effet de recul a ´et´e observ´e pour la premi`ere fois sur le d´edoublement des raies d’ab-sorption satur´ee du m´ethane [65]. Il est de l’ordre de 6 mm· s−1 dans le cas du rubidium. Pour mesurer de fa¸con pr´ecise la vitesse de recul, il faut transf´erer un grand nombre de fois cette vitesse aux atomes de fa¸con coh´erente, c’est-`a-dire sans ´emission spon-tan´ee. Nous utilisons pour cel`a des transitions Raman contra-propageantes appliqu´ees sans changement de niveau atomique interne 1. A chaque transition, l’atome acquiert exactement deux fois la vitesse de recul en absorbant un photon dans une onde et en r´e-´emettant un photon stimul´e dans l’autre onde. Afin qu’il reste `a r´esonance avec les faisceaux, on compense l’effet Doppler en balayant continˆument la diff´erence de fr´equence entre les deux ondes. Cette m´ethode a ´et´e d´evelopp´ee dans l’´equipe de C. Sa-lomon [45] et est bien connue en physique du solide sous le nom d’oscillations de Bloch. Elle permet de transf´erer un grand nombre de reculs de fa¸con tr`es efficace, en un temps tr`es court. Nous avons pu mesurer une efficacit´e de 99,95% par oscillation.
La valeur du recul est d´eduite de la mesure de la variation de vitesse induite par l’ac-c´el´eration coh´erente. Pour mener `a bien l’exp´erience, il est n´ecessaire, d’une part de r´ealiser les oscillations de Bloch sur une classe de vitesses atomiques subrecul pr´ ealable-ment s´electionn´ee et d’autre part, de pouvoir mesurer la vitesse finale des atomes. Nous r´ealisons les phases de s´election et de mesure `a l’aide de transitions Raman s´electives en vitesse entre les deux sous niveaux hyperfins F = 1 et F = 2 du fondamental. En r´esum´e, partant d’atomes froids pi´eg´es dans un pi`ege magn´eto-optique, suivi d’une phase de m´elasse `a l’issue de laquelle les atomes sont dans l’´etat F=2, une s´equence de l’exp´erience comporte trois parties (voir figure (4.3)) :
- s´election d’une classe de vitesse subrecul, centr´ee sur la vitesse nulle au moyen d’une
k
N 2h
accélération cohérente des atomes
sélection d’une classe de vitesse subrecul
mesure de la classe de vitesse après l’accélération
Fig.4.3 – Principe de l’exp´erience de mesure de la vitesse de recul de l’atome de rubidium.
transition entre F=2 et F=1,
1Ce type de processus a ´et´e ´etudi´e en d´etail par Ch.J. Bord´e pour expliquer les formes de raie d’absorption satur´ee [66].
- acc´el´eration coh´erente des atomes s´electionn´es au moyen d’oscillations de Bloch dans l’´etat F=1,
- mesure de la vitesse finale grˆace `a une transition de F=1 vers F=2.
On mesure finalement par temps de vol le nombre d’atomes ayant effectu´e la derni`ere transition normalis´e au nombre d’atomes total. La technique de d´etection est similaire `
a celle d´evelopp´ee au BNM-SYRTE sur les horloges atomiques [67]. Elle permet de me-surer le nombre d’atomes dans les ´etats F=1 et F=2 et ainsi d’en d´eduire la fraction du nombre total d’atomes ayant effectu´e la derni`ere transition 2. Son sch´ema de principe est repr´esent´e sur la figure (4.4). Les atomes en chute libre sont ´eclair´es par un faisceau r´etro-r´efl´echi, polaris´e circulairement et r´esonant avec la transition F = 2 → F = 3. Le signal de fluorescence d´etect´e est proportionnel `a la fraction d’atomes dans F=2. Un cache plac´e sur la partie basse du faisceau permet de pousser les atomes d´etect´es dans F=2. Ceux de F=1 continuent de tomber et atteignent une seconde nappe lumineuse o`u le faisceau r´esonant avec la transition F = 2→ F = 3 est superpos´e avec un faisceau repompeur, r´esonant avec F = 1 → F = 2. Les atomes de F=1 sont donc repomp´es vers F=2, puis d´etect´es comme pr´ec´edemment.
Cette s´equence est reproduite en changeant la fr´equence de la transition Raman de
Atoms
Probe Repumper
PBS
Fig. 4.4 – Sch´ema de principe de la d´etection.
2On s’affranchit ainsi des fluctuations du nombre total d’atomes entre les s´equences exp´erimentales successives.
mesure afin de r´ealiser un spectre correspondant `a la distribution finale de vitesse. La vitesse de recul se d´eduit de la variation de vitesse, soit
∆v = 2N vr = δsel− δmes
k1+ k2 (4.11)
o`u ∆v est la variation de vitesse, N le nombre d’oscillations de Bloch, δsel la fr´equence centrale de la distribution de vitesse initiale, δmes celle de la distribution de vitesse finale, k1 et k2 les vecteurs d’onde des faisceaux de s´election et de mesure.
Le rapport mh
Rb est obtenu `a partir de la conservation de l’impulsion (mRb∆v = 2NkB o`u kB est le vecteur d’onde du faisceau utilis´e pour acc´el´erer les atomes). On a donc finalement :
mRb =
δsel− δmes
2N kB(k1+ k2) (4.12)
L’incertitude obtenue sur la vitesse de recul d´epend de l’incertitude sur le point´e du centre de la distribution de vitesse finale et du nombre d’oscillations de Bloch r´ealis´ees.
σvr = σv
2N (4.13)
4.2 Le dispositif exp´erimental
L’objectif de ce paragraphe est de d´ecrire bri`evement les principaux ingr´edients du dispositif exp´erimental, en mettant l’accent sur ses particularit´es. Il s’agit d’un montage complexe et sophistiqu´e dont la mise en oeuvre a n´ecessit´e de gros moyens humains. Ce travail a d´ebut´e en 1999 et les premiers signaux exp´erimentaux ont ´et´e obtenus en 2003. L’essentiel du montage a ´et´e d´evelopp´e durant la th`ese de R´emy Battesti [68]. Des modifications et astuces exp´erimentales ont ´et´e apport´ees au cours de celle de Pierre Clad´e [69]. L’ensemble du dispositif est pilot´e par le logiciel Labview : une grande partie de mon activit´e lors des d´ebuts de cette exp´erience a consist´e `a programmer la s´equence temporelle et l’acquisition de donn´ees.
Les deux principaux ´el´ements du dispositif sont le senseur inertiel (s´election et mesure des distributions de vitesse) et le potentiel lumineux (oscillations de Bloch).