2.5 M´ethodes de refroidissement d’atomes pi´eg´es
2.5.2 Refroidissement optique
Un refroidissement optique est g´en´eralement impossible dans un pi`ege magn´etique car les atomes y seraient d´epolaris´es. Par contre, un tel refroidissement est possible dans un pi`ege dipolaire tr`es d´esaccord´e pi´egant tous les sous-niveaux de l’´etat fondamental. Un refroidissement optique est tr`es s´eduisant `a priori. En effet, contrairement au refroidissement ´evaporatif, il ne s’accompagne pas, en principe11, de pertes d’atomes importantes. De plus, comme il ne repose pas sur les collisions ´elastiques, on peut obtenir un temps de refroidissement court.
Plusieures m´ethodes de refroidissement optiques ont ´et´e appliqu´ees dans des pi`eges dipolaires : le refroidissement en m´elasse[46] ou le refroidissement Raman [13, 12, 14]. M´elasse grise
La m´ethode de refroidissement optique la plus utilis´ee est le refroidissement par gradient de polarisation dans une m´elasse : c’est ce refroidissement qui permet d’atteindre des temp´eratures de l’ordre de 10 µK dans un pi`ege magn´eto-optique. Cependant, avec les densit´es sup´erieures `a 1011 atomes par cm3 obtenues dans les pi`eges dipolaires, une m´elasse standard n’est pas efficace. En effet, la r´eabsorption de photons, importante dans une m´elasse standard, induit un exc`es de chauffage important.
Par contre, une m´elasse grise, dans laquelle la r´eabsorption de photon est r´eduite, peut ˆetre utilis´ee pour refroidir les atomes dans un pi`ege dipolaire. D.Boiron et al.[46] ont ainsi obtenu un nuage d’atomes pi´eg´es `a une temp´erature de 2 µK avec une densit´e de 1012atomes/cm3. Dans cette exp´erience, le pi`ege dipolaire, form´e par un faisceau focalis´e unique, confinait radialement les atomes sur une taille quadratique moyenne de 6 µm. Pour cette g´eom´etrie, ils n’ont pas observ´e d’exc`es de chauffage dˆu `a la r´eabsorption de photons.
Ainsi, une m´elasse grise est un outil int´eressant non seulement pour charger beau-coup d’atomes dans le pi`ege mais aussi pour refroidir les atomes `a une temp´erature tr`es faible. Cette m´ethode de refroidissement pr´esente l’avantage d’ˆetre simple `a mettre en oeuvre (deux faisceaux allum´es en continu) et rapide (environ 10 ms). La temp´erature atteinte de quelques µK r´esulte d’un ´equilibre entre le m´ecanisme de refroidissement et les sources de chauffage intrins`eques `a la m´elasse grise. Pour atteindre une temp´erature plus faible, d’autre techniques de refroidissement doivent ˆetre envisag´ees.
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Refroidissement Raman
Parall`element, un autre type de refroidissement, appel´e refroidissement Raman, a ´et´e d´evelopp´e[12, 13, 14]12 .
Le refroidissement Raman utilise des transitions Raman stimul´ees (transitions `a deux photons) entre deux sous-niveaux |ai et |bi de l’´etat fondamental. Lorsque les faisceaux Raman se propagent en sens inverse, la fr´equence de la transition d´epend de la vitesse de l’atome. La tr`es grande s´electivit´e en ´energie des transitions permet alors de transf´erer dans l’´etat |bi une classe de vitesse aussi pr´ecise que voulue. Les atomes transf´er´es dans l’´etat |bi sont ensuite pomp´es optiquement dans |ai. Deux m´ecanismes de refroidissement interviennent `a des ´energies diff´erentes. Tout d’abord les atomes dont la vitesse est sup´erieure `a la vitesse de recul (¯hk/m) sont soumis `a une force de friction qui les ralentit (refroidissement Doppler). Enfin, les atomes de faible ´energie effectuent une marche au hasard dans l’espace des impulsions jusqu’`a ce que leur impulsion se trouve dans une “zone noire” entourant l’impulsion nulle : les atomes dont l’impulsion est dans cette “zone noire” ne sont plus affect´es par les transferts Raman dans |bi.
Contrairement au refroidissement par m´elasses optiques dans lesquelles la temp´era-ture d’´equilibre `a faible nombre d’atomes correspond `a quelques ´energies de recul, la temp´erature atteinte par le refroidissement Raman peut, en principe, ˆetre arbitraire-ment faible.
Ce refroidissement, appliqu´e dans une direction sur des atomes libres, a permis d’obtenir des temp´eratures tr`es faibles de l’ordre de Trec/70[11]13 en environ 10 ms. La marche au hasard dans l’espace des impulsions permettant l’accumulation des atomes dans une classe de vitesses faibles prend beaucoup plus de temps `a trois dimensions qu’`a une. Or le temps de refroidissement d’atomes libres est limit´e par la chute et l’´etalement du nuage. C’est pourquoi le refroidissement Raman `a trois dimensions n’a pas ´et´e obtenu pour des atomes libres.
Par contre, l’utilisation d’un pi`ege permet de refroidir les atomes pendant un temps long, de l’ordre de la dur´ee de vie du pi`ege (typiquement la seconde). On peut `a priori esp´erer obtenir des temp´eratures tr`es faibles en appliquant le refroidissement Raman `a des atomes pi´eg´es.
Une autre motivation importante pour mettre au point un refroidissement Raman d’atomes pi´eg´es est l’´eventuelle mise en ´evidence de l’effet d’amplification bosonique. En effet, si les atomes utilis´es sont des Bosons, la probabilit´e, `a la suite d’une ´emission spontan´ee, de peupler un ´etat quantique atomique est proportionnel `a la population de cet ´etat. Ainsi, la population d’un ´etat quantique du mouvement des atomes peut ˆetre amplifi´ee. Ce ph´enom`ene appliqu´e aux photons est `a l’origine du principe du laser. Le refroidissement Raman d’atomes pi´eg´es est ainsi, `a priori, un bon mod`ele de laser `a
12
Pour une pr´esentation du refroidissement Raman, voir [50]
13
1/2kBTrec = Erec = ¯h2k2
/(2m) est la temp´erature correspondant `a une largeur quadratique
atomes.
Le refroidissement Raman a ´et´e mis en oeuvre sur des atomes pi´eg´es dans le labora-toire avec Christophe Salomon[14] et dans le groupe de Steve Chu[12, 13]. Cependant, le refroidissement n’a pas donn´e les r´esultats attendus : la temp´erature la plus basse, de 0.35 Trec[51], a ´et´e obtenue dans un pi`ege peu confinant et avec peu d’atomes (104). Limites identifi´ees du refroidissement optique
Plusieurs ph´enom`enes limitent l’efficacit´e d’un refroidissement optique, en particulier le refroidissement Raman.
Tout d’abord, le refroidissement s’accompagne de pertes d’atomes importantes. Ainsi, dans [14], le refroidissement d’une temp´erature d’environ 10 µK `a une temp´e-rature de 2.5 µK s’accompagne de pertes d’atomes d’un facteur 5.6. Ces pertes sont dˆues `a des collisions entre atomes. Elles peuvent ˆetre dˆues `a des collisions in´elastiques entre atomes dans l’´etat fondamental lib´erant une ´energie cin´etique sup´erieure `a la profondeur du pi`ege. Elles peuvent aussi ˆetre induites par des collisions in´elastiques entre atomes faisant intervenir un photon proche de r´esonance. Deux processus peuvent en effet lib´erer une ´energie cin´etique importante : un changement de structure fine de la paire d’atomes excit´ee, et l’acc´el´eration des atomes de la paire excit´ee avant l’´emission d’un photon spontan´e[43]. De plus, une paire d’atomes excit´ee peut se d´esexciter dans un ´etat mol´eculaire fondamental. Ce ph´enom`ene, peut probable normalement car la paire excit´ee passe un temps tr`es bref `a des distances interatomique aussi petites que l’´etalement de la mol´ecule fondamentale, semble important dans le cas du Cesium[52]. Ces trois processus sont intrins`eques `a tout refroidissement optique car la pr´esence de photons proches de r´esonance est n´ecessaire `a ce type de refroidissement qui utilise l’´emission spontan´ee comme processus dissipatif.
Ces pertes ne permettent pas d’appliquer le refroidissement pendant un temps long. Ceci est un obstacle important au refroidissement Raman qui n´ecessite du temps car sa puissance de refroidissement est tr`es faible.
Un autre ph´enom`ene limite le refroidissement optique d’atomes pi´eg´es : la r´eabsorp-tion de photons. En effet, un photon spontan´e peut ˆetre r´eabsorb´e plusieurs fois avant de quitter le pi`ege. Le nombre de r´eabsorptions est d’autant plus important que le nombre d’atomes pi´eg´es est grand. Dans les exp´eriences de refroidissement Raman effectu´ees `a Paris[14], le nombre de r´eabsorption de photons, estim´e par un mod`ele de marche au hasard, est de l’ordre de 20. La r´eabsorption de photons limite le re-froidissement Raman pour deux raisons. Tout d’abord, la notion de zone noire dans l’espace des impulsions n’a plus de sens car un atome dont l’impulsion est dans cette zone peut en sortir `a l’issue de l’absorption d’un photon spontan´e14. Cet effet limite l’efficacit´e du refroidissement. D’autre part, un photon spontan´e d´epose dans le nu-age une ´energie proportionnelle au nombre de fois qu’il a ´et´e r´eabsorb´e. Ce chauffnu-age diminue l’efficacit´e du refroidissement.
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Dans le laboratoire, nous avons mis en ´evidence une diminution de l’efficacit´e du re-froidissement Raman lorsque le nombre d’atomes augmente[14], ce que nous attribuons `a la r´eabsorption de photons.
Des travaux th´eoriques ont propos´e des m´ethodes pour limiter la r´eabsorption de photons[53, 54]. Ainsi, Y.Castin et al.[53], ont propos´e d’utiliser, pour pomper op-tiquement les atomes de |bi `a |ai, un laser hors r´esonance suffisamment peu intense pour que la largeur en ´energie de l’´etat |bi induite par ce laser soit plus petite que la largeur Doppler du nuage. Ainsi, seule une partie des atomes sont susceptibles de r´eabsorber le photon.
Refroidissement par bandes lat´erales
Les m´ethodes pr´ec´edentes de refroidissement optiques s’appliquent au cas d’atomes confin´es dans des pi`eges dont les fr´equences d’oscillations sont suffisamment faibles pour que le mouvement de l’atome puisse ˆetre trait´e classiquement. Par contre, si la fr´equence d’oscillation est plus ´elev´ee que l’´energie de recul des atomes, alors la m´ethode de refroidissement optique appel´ee refroidissement par bandes lat´erale peut accumuler les atomes dans l’´etat fondamental du mouvement. Cette technique, tout d’abord d´evelopp´ee pour des ions pi´eg´es[15] a ´et´e mise en oeuvre pour la premi`ere fois sur des atomes neutres en 1998 dans notre laboratoire[17] et, en mˆeme temps mais par une m´ethode diff´erente, aux USA dans le groupe de Jessen[18]. A l’issue de ce refroidissement, on produit un ´etat quantique pur. Les fr´equences d’oscillations suffisamment ´elev´ees sont facilement r´ealisables dans un pi`ege optique en utilisant des interf´erences lumineuses.
Ce refroidissement optique est tr`es efficace : chaque cycle de refroidissement enl`eve une ´energie ´egale `a l’´energie d’oscillation, beaucoup plus grande que l’´energie de recul. On s’attend donc `a ce que ce refroidissement soit moins sensible `a la r´eabsorption de photons que le refroidissement Raman d´ecrit pr´ec´edemment.
Le pi`ege dipolaire crois´e
Ce chapitre pr´esente le pi`ege dipolaire utilis´e pour les exp´eriences r´ealis´ees durant cette th`ese. Le laser utilis´e est un laser YAG ´emettant `a 1.06 µm. Sa fr´equence, 280THz, est inf´erieure `a toutes les transitions dipolaires du Cs `a partir de son ´etat fondamental. Les atomes dans l’´etat fondamental sont donc attir´es vers les r´egions de forte intensit´e lumineuse. Un maximum d’intensit´e lumineuse, et donc un potentiel pi´egeant, est r´ealis´e au croisement de deux faisceaux issus de ce laser. Ce pi`ege a ´et´e mis au point au laboratoire en 1996 par H´elene Perrin et Axel Kuhn[55, 17, 14].
Dans un premier temps, le pi`ege et sa r´ealisation exp´erimentale sont d´ecrits. La section suivante est consacr´ee au syst`eme d’imagerie. Ensuite, le chargement du pi`ege `a partir d’un pi`ege magn´eto-optique est pr´esent´e. Nous discutons les diverses sources de chauffage ´eventuellement pr´esentes dans le pi`ege. Enfin, les principales techniques exp´erimentales utilis´ees pour les exp´eriences sont bri`evement d´ecrites.