L’observation des
premiers
états habillésatome-champ requiert
que la cavité soit accordée sur lafréquence
de la raieatomique 39s1/2
~39p3/2 .
Cettefréquence
est connue à l’aide d’une
expérience préliminaire
despectroscopie
des atomesdans la cavité.
Les atomes
préparés
dans l’état39s1/2
traversent la cavité. Leurspectroscopie
ne
peut
pas être réalisée enbalayant simplement
lafréquence 03BD/203C0
duchamp
micro-ondeinjecté
dans le mode. Lalargeur
de la cavité est de 700 Hz alors que celle de la raieatomique
est attendue avecquelques
dizaines de kHz : l’excitationatomique
en fonction de lafréquence
de la micro-onde donnerait unpic
centrésur la
fréquence
de lacavité,
avec salargeur.
Il est donc nécessaire debalayer
lafréquence
du mode en mêmetemps
que celle de la micro-onde : la cavité restetoujours
à résonance avec lechamp injecté, qui
entre ainsi dans le mode pour réaliser l’excitationatomique.
Le taux d’excitationTs~p
est alors relevépoint
par
point
en fonction de lafréquence
duchamp
micro-onde.La
spectroscopie 39s1/2
~39p3/2
ainsi réalisée estreprésentée
sur lafigure
2.9.La résonance
atomique
est constituée de deuxpics
delargeur
150kHz , séparés
des
0394/203C0
= 320 kHz de la structurehyperfine
de l’état39s1/2.
La structurehyperfine
de l’état39p3/2,
dequelques
dizaines dekHz,
n’est pas résolue. Lepic
deplus
bassefréquence correspond
à la transition39s1/2,
F=3 ~39p3/2,
celui deplus
hautefréquence
à39s1/2,
F=2 ~39p3/2 (le spin
du noyau vaut I =5/2).
La différence de hauteur des deux
pics s’interprète
par lepeuplement statistique
(7/5)
des étatshyperfins
de39s1/2,
l’ultimeétape
à199,830
GHz depréparation
du niveau
39s1/2
ne résolvant pas sa structure.La
largeur
des raies n’est pas due à un effet Zeeman(~
1MHz/G),
car, avant que la cavité netransite,
lechamp magnétique
est annulé dans le c0153urdu
cryostat
à mieux que lemilligauss,
avec des bobines deHelmholtz,
et les fluctuations résiduellesqui règnent
dans le laboratoire sont atténuées avec unblindage
en mumétal. Elleprovient
d’uneinhomogénéité
dechamp électrique
évaluée à
0, 1 V/cm , qui
a pourorigine
lespotentiels
de contact entre les cristauxentre des cristaux de taille ~ 1 mm, une telle valeur du
champ
estplausible
à la distance de 4 mm desparois
oùpassent
les atomes.Certes,
une tellelargeur
deraie ne
permet
pas d’observer laséparation spectrale
despremiers
états habillésavec un seul atome dans la cavité. Mais 3 atomes seulement en interaction avec
le mode suffisent pour la rendre aussi
grande
que lalargeur
de raie.La cavité est alors accordée sur la transition
, 1/239s
F = 3 ~39p3/2 ,
à lafréquence 03C90/203C0
=68, 378 56
GHz. Lalargeur
de la raie nepermet
cet accordqu’à
20 kHzprès.
Lasonde,
depulsation
vvariable,
estinjectée
dans le tunnel de sortie desatomes,
et secouple
à la cavité par une onde évanescente(cf.
lafigure 2.10).
Son intensité est assez faible pour ne pasperturber
directement les atomes dans le tunnel de sortie.À
latempérature
de1, 7 K ,
le nombre moyen dephotons thermiques
dans le mode est nth. =0,17.
Lesphotons thermiques
sontsans effet sur les atomes : 85
%
dutemps
le mode est vide de telsphotons.
Parailleurs,
afin d’éviter les transitions induites par duchamp thermique provenant
de
l’extérieur,
des inserts sous coupure pour le 68 GHz sontdisposés
dans lesguides
d’onde avantqu’ils
n’arrivent aux embouchures de la cavité. Ces inserts n’atténuent en rien le199,830
GHz depréparation
de39s1/2,
et lapuissance
de la source à 68 GHz s’avère suffisante pour que l’onde évanescente de la sonde secouple
notablement à la cavité.La variation du taux d’excitation
Ts~p
en fonction de lafréquence 03BD/203C0
de la sonde a été relevée pour différents fluxatomiques.
Deuxexemples
derésul-tats obtenus sont
représentés
sur lafigure
2.11. Lespectre b) correspond
auplus petit
dédoublementspectral
observé. L’allure queprennent
lespoints
ex-périmentaux
est conforme au résultat attendu : la sonde n’excite pas lesystème
atome-champ
à lafréquence 03C90/203C0
commune des deuxsous-systèmes,
et le faitpour deux
fréquences symétriques
parrapport
à03C90/203C0, qui
sontséparées
ici de 240 et 170 kHz . En identifiant à203A9N
laséparation
enpulsation
des deuxpics
d’excitation
(cf. § 2.4),
on obtient le nombre moyen d’atomes en interaction avecla cavité : N = 6 pour
a),
et N = 3 pourb).
Lespremiers
niveaux habillés duchamp
de la cavité en interaction avec un échantilloncomportant
seulement 3atomes,
sont donc mis en évidence.Néanmoins,
l’allurecomplète
duspectre
reste àexpliquer.
Les deuxpics
d’excitation autour de la
fréquence 03C90/203C0
ne sont pas de mêmehauteur,
et ilapparaît
un troisièmepic
àproximité
de lafréquence (03C90
+0394)/203C0
de la tran-sition39s1/2,
F = 2 ~. 3/239p
Deplus,
àplus
haut fluxatomique,
les deuxpics
d’excitation autour de03C90/203C0
ne s’écartent pas de manièresymétrique,
et le troisièmepic proche
de(03C90
+0394)/203C0 prend
del’importance.
La
pulsation
decouplage 03A9
étant du même ordre degrandeur
que la struc-turehyperfine
0394 de l’état39s1/2,
on nepeut
pas considérer que la transition39s
1/2
Figure
2.10 : Schéma del’expérience
d’excitation despremiers
niveaux habillésatomes-champ.
Figure
2.11 :Spectre
despremiers
niveaux habillésquand a)N
= 6 oub)N
= 3 atomes en moyenne sont résonnants avec la cavité.complète
de l’excitation dusystème atomes-champ
doit passer par laprise
encompte
de la structurehyperfine
de l’état39s1/2.
remarques
2022 Le fond des
points expérimentaux
est non nul. Il est dû aux atomespréparés
optiquement
dans l’état40p3/2
etqui
ne sont pas transférés vers39s1/2
parla transition à
199, 830
GHz. Ilspeuvent
alors se désexciter par émissionspontanée
vers l’état40s1/2, qui
a le même seuil d’ionisation que l’état39p
3/2
,
et contribuent donc au fond de détection.2022 Le taux d’excitation
atomique Ts~p porté
en ordonnée sur lafigure
2.11culmine à 30
%,
cequi peut
faire douter de la validité durégime
de sonde faible danslequel
onprétend
seplacer.
Enfait,
le taux d’excitation utiliséici est celui mesuré sur les atomes au moment de leur détection. L’excitation du
système global lorsqu’ils
sont à l’intérieur de la cavitépeut
être évaluéeen tenant
compte
des durées de vie différentes des états39s1/2
et39p3/2.
On trouve alors que l’excitation du
système atomes-champ
nedépasse
pasles
10%.
Dans le document
Electrodynamique en cavité : expériences résonnantes en régime de couplage fort
(Page 70-75)