Séquences temporelles en régime d’atome unique

La grande majorité des expériences apparaissant dans ce manuscrit se feront en régime d’atome unique. Nous l’avons déjà évoqué au début du paragraphe 1.3.4, la plupart de nos ex- périences nécessitent de moyenner la fluorescence atomique sur plusieurs centaines de séquences temporelles identiques. Nous allons ici exposer la manière dont on s’assure qu’un atome unique est bien présent au début de chaque séquence.

Piégeage d’un atome unique

Sur la figure 1.12 apparaît l’histogramme de la lumière de fluorescence en régime d’atome unique (cet histogramme correspond à la courbe (b) de la figure 1.10 dont la résolution était de 10 ms). On observe un premier pic centré sur le fond de lumière parasite (∼ 10 coups/10 ms), et un deuxième pic centré sur le niveau de fluorescence d’un atome (∼ 65 coups/10 ms). Avec un temps d’intégration de 10 ms, ces deux pics sont très bien résolus. On peut ainsi définir une valeur seuil f luoseuil du taux de comptage. Si en 10 ms, le nombre de photons comptés est supérieur à

f luoseuil, alors un atome se trouve dans le piège. Inversement, si en 10 ms, le nombre de photons comptés est inférieur à f luo_seuil, alors le piège est vide. On s’assure ainsi de la présence d’un atome avec une efficacité proche de 100 %. Le taux d’erreur de cette détection a été étudié dans la thèse de Georges-Olivier Reymond [82]. Il dépend de la fenêtre de comptage, du niveau de fluorescence de l’atome, et de la durée de vie de l’atome unique dans le piège. Pour une fenêtre de comptage comprise entre 3 et 10 ms, et avec nos paramètres expérimentaux classiques, l’erreur sur la détection de l’atome est inférieure à 1 %.

En conséquence, toutes les séquences temporelles effectuées en régime d’atome unique com- menceront par T_pi´egeage = 3 à 10 ms durant lesquelles les faisceaux du piège dipolaire et du piège magnéto-optique sont allumés. Le reste de la séquence dépend de la mesure. La carte d’acquisition enregistre la fluorescence détectée au cours de la séquence. À la fin de celle-ci, le programme in- formatique gérant l’acquisition calcule f luo_capture, la fluorescence mesurée en début de séquence, intégrée sur Tpi´egeage. Si f luocapture < f luoseuil, le piège était vide et la séquence est oubliée. Si au contraire, f luocapture > f luoseuil, un atome était présent dans le piège, et la séquence est gardée pour être moyennée avec toutes les autres séquences temporelles pour lesquelles un atome était présent au début.

fluo

600

400

200

0

no

mb

re

d

'é

chantill

ons

120

100

80

60

40

20

0

coups/10 ms

Fig. 1.12 – Histogramme de la fluorescence en régime de blocage collisionnel, correspondant à la

courbe (b) de la figure 1.10. Le premier pic est centré sur le fond de lumière parasite, le second sur le niveau de fluorescence d’un atome unique.

mais estimé à la vue du signal d’atome unique tels que ceux de la figure 1.10. En outre, nous surestimons f luo_seuil, de manière à minimiser la probabilité que le piège soit vide. Il est alors possible que lors de séquences temporelles, on soit en dessous du seuil alors qu’un atome était présent dans le piège. Ce type d’erreur est peu gênant. Il signifie que l’on rate des événements à 1 atome, mais que l’on ne se trompe pas quand on détecte un atome.

Probabilité de recapture

Pour beaucoup d’expériences apparaissant dans ce manuscrit, on s’intéresse également à la probabilité pour que l’atome soit toujours dans le piège en fin de séquence.

Il est alors possible d’utiliser la même astuce que dans le paragraphe précédent. En fin de séquence, on rebranche les faisceaux de la mélasse et du PDO pendant une durée égale à T_pi´egeage, on intègre la fluorescence enregistrée, notée f luorecaptureet on la compare à f luoseuil, de manière à savoir si l’atome est toujours là, ou a été éjecté. Cette technique sera parfois utilisée au cours du manuscrit, notamment dans le chapitre 3. Toutefois, elle présente un inconvénient. Nous avons expliqué à la fin du paragraphe précédent que nous avions tendance à surestimer f luoseuil pour être certain de la présence d’un atome en début de séquence. Il en résulte que, en fin de séquence, il est possible d’avoir f luorecapture< f luoseuil avec cependant l’atome toujours présent dans le piège. Cette détermination du taux de recapture est donc incertaine.

Une façon plus fiable de mesurer le taux de recapture consiste à rebrancher les faisceaux de la mélasse et du PDO en fin de séquence, puis à éteindre ensuite le PDO. La fluorescence durant cette dernière étape correspond à celle du fond parasite de lumière. La fluorescence est ensuite moyennée sur un grand nombre de séquences identiques. Le niveau de fluorescence moyen au cours de la première étape de la séquence temporelle correspondant à l’étape de piégeage est

hf luocapturei. Il correspond au niveau de fluorescence d’un atome unique dans le piège dipolaire. Le niveau de fluorescence au moment où l’on rebranche les faisceaux de la mélasse et du PDO est hf luorecapturei. Enfin le niveau de fluorescence une fois le piège dipolaire éteint est appelé

hf luo_{f ond}i. La probabilité de recapture est alors donnée par la formule : hf luorecapturei − hf luof ondi

hf luocapturei − hf luof ondi

Cette façon de procéder est beaucoup plus précise. Elle est simplement limitée par le bruit de photons qui est en général très faible, une fois la moyenne faite sur un grand nombre de séquences temporelles identiques. C’est celle qui sera utilisée la plupart du temps dans ce manuscrit.