2 Observation de l’oscillation de Rabi: le dispositif expérimen-
2.2 Choix des Atomes
2.2.5 La purification des atomes circulaires
Par sa
complexité,
laprocédure
de circularisation ne conduit pas à unétat circulaire
parfaitement
pur. Unepartie
des atomes(environ 20%
comme nous le verrons dans lasuite),
estpréparée
dans les niveauxelliptiques qui
luisont
voisins,
lelong
de la bordure inférieure de lamultiplicité.
Bien que cesniveaux non circulaires ne sont pas résonants avec la cavité à cause de leur effet Stark
linéaire,
ils soient trèsgénants.
Ils s’ionisent en effetpratiquement
dans le même
champ
que les états circulaires et serontresponsables
d’un fond constant dans tous lessignaux
mesurés.peuvent-être très diverses: défauts de
polarisation
des lasers conduisant à unemau-vaise sélection du niveau m =
2, imperfection
des passagesadiabatiques....
etc. Plutôt que d’étudier
systématiquement
chacune de cesimperfections,
nous allons montrer
qu’il
estpossible
d’éliminer ces niveauxelliptiques
enajoutant
à laprocédure
de circularisation une dernièreétape
depurification.
Nous avons évalué la
pureté
des atomes circulaires que nouspréparons
àl’aide d’une mesure
spectroscopique.
Nouspréparons
le niveau n = 52puis
nous induisons avec une sonde micro-onde l’émission stimulée d’un
photon
vers le niveau n = 51. Sur la
figure
2.11 nous avonsprésenté
les niveaux de lamultiplicité
n = 52qui
sontsusceptibles
d’êtrepeuplés
et les transitionsvers ceux de la
multiplicité
n = 51 que nous observons. La transition entreniveaux circulaires est
representée
par une flèche continue et les transitionsentre niveaux non circulaires sont
représentées
par des flèchespointillées.
Enprésence
d’unchamp électrique
de0,5 V/cm,
lafréquence
de la transitioncirculaire est
déplacée
par l’effet Starkquadratique
différentiel de 64kHz,
alors que les
fréquences
des transitions non circulaires sontdéplacées
par l’effet Stark linéaire différentiel d’environ 1 MHz. Ces transitions sont induites dans un condensateurqui
se trouve dans la zoneR1 (cette
zone n’est pas utilisée directement dans cetteexpérience) qui
se trouve à 10 cm du centre de la boite(cf.figure 2.12).
Notons que d’autres transitions sontpossibles
entreles deux
multiplicités.
Ellesprésentent cependant
un effet Stark linéaire de 100MHz/ (V/cm)
et ne sont pas observées ici.Nous avons
enregistré
le taux de transfert du niveau n = 52 au niveaun = 51 en fonction de la
fréquence
de la micro-onde. Lesignal
obtenu estprésenté
sur lafigure
2.13. On voit deux raies associées aux deux transitions: circulaire 52~51 et noncirculaire |n
=52, m
=50,
n1 =0>~ |n
=51, m
=49,
n1 =0).
Les autres raies entre niveaux de m encoreplus
faibles ne sont pas visibles. Comme on le voit sur lafigure,
le taux de transfert associé à la transition circulaire estquatre
foisplus grand
que le taux de transfert associé à la transition non circulaire. Lapureté
des atomes circulairespréparés
estdonc de l’ordre de
80%.
La méthode de
purification
utilise les raiesprécédentes
pour ne sélectioner que les atomes circulaires de n = 52 et les transférer vers n = 51. Ceci est réalisé enprésence
d’unchamp électrique qui permet
d’éviter depeupler
les niveaux non circulaires de n = 51.ni-FIG. 2.11 - Les transitions micro-ondes entre les
multiplicités
n=52 et n=51. La transition entre les niveaux circulaires estprésentée
en traits continus.Les transitions entre les niveaux non circulaires sont
présentées
en traitsdiscontinus.
veau n =
52,
ils n’auront aucun effet sur nos mesures: la cavité n’est pasrésonnante avec ces atomes et leur seuil d’ionisation est très différent des seuils des niveaux n = 50 et n = 51
qui
nous intéressent.La transition de
purification
est réalisée à l’aide d’un passageadiabatique
en
profitant
de la variation lente duchamp magnétique
à l’intérieur de la boite à circulariser. Sur lafigure
2.14 nous avonsreprésenté
la variationspatiale
du
champ magnétique
et de lafréquence
des transitions circulaire 52~51 et noncirculaire |n = 52, m = 50, n1
=0> ~ |n = 51, m = 49, n1 = 0)
enfonc-tion de la
position
de l’atome dans la boîte à circulariser. Enprésence
d’unchamp électrique
de E = 5V/cm,
l’écart enfréquence
entre ces transitionsest de l’ordre de
9, 6
MHz. Lafréquence
de la micro-onde depurification
estFIG. 2.12 - Une vue de
l’ensemble
dudispositif expérimental.
vaut
48,185
GHz. De cettefaçon,
la transition non circulaire nepeut jamais
être induite. En
revanche,
la transition circulairepeut
être induite dès que lechamp magnétique
passe par la valeurqui
la met à résonance avec la mi-croonde. Laséquence temporelle
de laprocédure
depurification
estprésentée
sur la
figure 2.15a).
La variation lente du
champ magnétique
nouspermet
de transféreradia-batiquement,
d’une manièreefficace,
tous les atomesqui
sont dans le niveau circulaire n = 52 vers le niveau circulaire n = 51. Parcontre,
les atomes noncirculaires restent dans le niveau de
multiplicité
n =52, puisqu’ils
ne sont pas affectés par cette transition micro-onde.Après
cetteprocédure
depurification
nous avons refait le test depureté
des atomes que nous
préparons.
Lechamp
micro-onde sonde est maintenantrésonnant avec la transition 51 ~ 50. Ce test de
pureté
des atomes est réa-lisé dans le condensateurqui
se situe dans la "zoneR1" (déjà mentionnée).
Fréquence (GHz)
FIG. 2.13 -
Spectre
de la transition entre les niveaux circulaires n=52 et n=51. Lapremière
barre verticaleà gauche indique
lafréquence
de la raie non circulaire et la seconde bareindique
lafréquence
de la raie circulaire.Le
champ
sonde estappliqué juste
au moment où les atomes sont dans cecondensateur,
saséquence temporelle
estprésentée
sur lafigure 2.15b).
Lechamp électrique statique
dans ce condensateur vaut 0.5V/cm.
Nous avonsenregistré
le taux de transfert vers le niveau n = 50 en fonction de la fré-quence duchamp
sonde qui induit cette transition dans le cas où lafréquence
de la micro-onde de
purification
est bienajustée (v
= 48 185GHz)
et dans lecas où sa
fréquence
n’est pas bienajustée (v
=48, 179 GHz),
dans ce cas la transition non circulairepeut
être induitepuisque
safréquence
est inférieure à celle de cechamp
depurification).
Les deuxsignaux spectroscopiques
sontprésentés
sur lafigure
2.16.Lorsque
lafréquence
depurification
est malréglée
on voit bien que nous avons deuxpics.
Leplus
intensecorrespond
à lapopulation
des atomescir-culaires et le moins intense
correspond
à lapopulation
des atomes nonFIG. 2.14 - Variation des
fréquences
des raies circulaire-circulaire et noncirculaire-non
circulaire enfonction
de laposition
de l’atome dans laboîte
FIG. 2.15 -
a)
Lesséquences temporelles
duchamp
micro-onde depurification
et du
champ électrique statique. b)
Laséquence temporelle
duchamp
micro-onde smicro-onde.
la raie
(puissance
de la micro-onde sonde trèsgrande). Lorsque
lafréquence
de la micro-onde est bien
réglée,
autrement ditlorsqu’elle
estajustée
à savaleur
optimale v
= 48.185GHz,
lepic
associé à la transition non circulairedisparait
dans le bruit. Sa hauteur est estimée à moins de 2%
de la hauteurdu
pic
circulaire(cf.figure 2.16). Ceci
nouspermet
de déduire que lapureté
des atomes
préparés
dans le niveau n = 51 est meilleure que 98%.
Dans le document
Oscillations de Rabi quantiques : test direct de la quantification du champ
(Page 46-52)