Stockage multimode dans un cristal fortement dopé

Dans le document Stockage multimode au niveau quantique pendant une milliseconde (Page 49-54)

Afin d’améliorer l’efficacité, une alternative est d’utiliser un cristal plus dopé. Dès l’obtention du cristal 151Eu3+:Y2SiO5, 1000 ppm présenté dans la section 2.1, nous avons donc fait l’expérience de stockage dans ce cristal.

Dans cette partie, je montre les résultats de stockages dans ce cristal. Nous traite-rons également l’optimisation des impulsions de contrôle pour l’efficacité et la capacité multimode de la mémoire. Cette capacité multimode a également été améliorée grâce à la nouvelle méthode de préparation parallèle discutée dans la section 2.3. Les résul-tats d’échos AFC multimode et de stockage multimode dans l’état de spin seront enfin exposés.

3.2.1 Montage expérimental

Entrée

Contrôle

PBS PD

Cryostat

Solénoide λ/2 FR

Figure 3.5 – Montage expérimental de stockage dans151Eu3+:Y2SiO5. Le cristal, refroidit à 4K, est placé à l’intérieur d’un solénoïde afin de générer la séquence RF discutée dans la section 1.2.2. L’impulsion d’entrée réalise un double passage dans la cristal grâce à un rotateur de Faraday (FR) associé à un PBS. Le mode de sortie est ensuite analysé avec une photo-diode (PD).

Le montage expérimental est décrit sur la figure 3.5. Le cristal placé dans le cryo-stat est entouré d’un solénoïde d’environ 6 mm de diamètre et de 15 mm de long, constitué d’environ 7 spires afin de générer la séquence RF nécessaire au stockage de longue durée. Un support de cristal a été spécialement conçu afin de pouvoir placer ce solénoïde autour du cristal (voir figure 3.6). A cet effet, le cristal est déposé sur une fine languette de 1 mm d’épaisseur. Nous avons fait le choix d’un solénoïde afin d’obtenir les impulsions RF les plus homogènes et efficaces possible. En revanche, nous n’avons jamais vérifié expérimentalement que l’utilisation de bobines de Helmoltz soit réellement moins efficace. Les impulsions nécessaires à la préparation et au transfert dans l’état de spin sont appliquées dans le mode de contrôle. L’impulsion d’entrée est préparée dans un mode de polarisation parallèle à l’axe D1 du cristal afin d’optimiser l’absorption. La polarisation est contrôlée à l’aide d’un PBS et d’une lame demi-onde (λ/2). Ce même PBS combiné à un rotateur de Faraday (FR) permet de réaliser un double passage dans le cristal afin de doubler la profondeur optique disponible. Le mode de sortie est ensuite mesuré par une photodiode. Deux écrans magnétiques constitués deµ-métal sont placés à l’intérieur et à l’extérieur du cryostat afin d’écranter le champs magnétique terrestre ou toute autre source de champs située dans le laboratoire.

Figure 3.6 – Photo montrant le support constitué notamment d’une fine languette de 1 mm supportant le cristal. On peut également voir la bobine RF placée autour du cristal. Le cristal situé en dessous est utilisé dans le cadre d’une autre expérience.

3.2.2 Résultats

Echos AFC multimodes

Afin d’optimiser au maximum la capacité multimode de notre mémoire, nous avons réduit la durée des impulsions d’entrée. Ainsi, la durée totale d’une impulsion gaus-sienne est ici de 500 ns et la FWHM est de 300 ns. La FWHM du spectre Fourier de cette impulsion est donc de 1.5 MHz. La bande passante de l’AFC préparé est fixée à la valeur maximale de 5 MHz réalisable dans ce cristal à champ nul et pour ce système Λ.

De plus, nous avons vu que le nombre de modes pouvant être stockés est proportionnel à la valeur de 1/∆. Afin de pouvoir utiliser des 1/∆ très longs, il est nécessaire que la résolution Fourier de la préparation du peigne soit suffisamment bonne. Nous fixons la durée totale de la préparation du peigne à 500 ms. Cette valeur étant déjà très élevée, il convient donc de ne pas l’augmenter davantage. Nous pouvons en revanche diminuer le nombre de répétitions de la séquence de préparation (impulsion de préparation + pause de 4ms). Avec un nombre de répétitions de 25, la durée de l’impulsion de préparation peut être augmentée jusqu’à 16 ms, tout en conservant la pause de 4 ms. Sur la figure 3.7, on montre l’évolution de l’efficacité de l’écho AFC pour 1/∆=70 µs (en (a)) et 1/∆=90µs (en (b)) pour des valeurs de temps de préparationTprep variant de 1 ms à 16 ms. Au vu des résultats, il semble qu’il faille choisir un temps de préparation le plus long possible. Il a été expérimentalement observé qu’un nombre de répétition de 25 n’est pas suffisant pour réaliser un bon pompage optique, ce qui résulte en une baisse globale d’efficacité. Il apparaît expérimentalement que 50 répétitions est un bon com-promis entre un bon pompage optique (la baisse d’efficacité est négligeable comparé à 100 répétitions) et un long temps de préparation (6 ms au maximum). C’est pour-quoi nous avons finalement choisi la valeur Tprep=6 ms avec 50 répétitions. Dans ces conditions, l’efficacité à 1/∆=70µs est d’environ 4 %, valeur comparable aux résultats obtenus pourTprep=16 ms et 25 répétitions (voir figure 3.7).

J’ai donc réalisé le stockage AFC de plusieurs modes avec ces paramètres pour un nombre de modes Nmodes variant de 1 à 150. Par commodité, ces mesures ont été ef-fectuées avec des impulsions fortes, contenant un grand nombre de photons. Pour des nombres de modes importants, cela peut poser un problème. En effet, une impulsion forte va légèrement abimer l’AFC, sans trop de conséquences si le nombre d’impulsions reste faible. Cela pose clairement un problème pour 100 impulsions, où l’on peut voir l’absorption diminuer en fonction du mode. Afin de contourner ce problème, j’ai réalisé le stockage deNmodes qui peuvent être soit vides, soit contenir une impulsion. Dans les faits, un mode sur 8 est aléatoirement choisi pour contenir une impulsion, le premier mode et le dernier étant systématiquement rempli. Sur la figure 3.8, on montre le sto-ckage de 100 modes pour 1/∆=51µs. L’efficacité deη=8.8 % est clairement l’efficacité la plus élevée enregistrée dans une expérience d’échos AFC pour ce nombre de modes.

La possibilité de stocker autant de modes dans notre cristal est due aux longs 1/∆

(a) (b)

0 5 10 15

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Tprep (s)

Efficaci(%)

0 5 10 15

0 1 2 3 4

Tprep (s)

Efficaci(%)

1/Δ=90 μs 1/Δ=70 μs

(ms) (ms)

Figure 3.7 – Evolution de l’efficacité de l’écho AFC en fonction de la durée de l’impulsion de préparation Tprep. Le nombre de répétitions de la séquence de préparation est ici de 25.

En (a), on montre les résultats pour 1/∆=70µs et en (b) les résultats pour 1/∆=90µs.

0 20 40 60 80 100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Temps (s)

Intensinormalisée

52 54 56 58

0 0.02 0.04 0.06

Temps (s)

Intensité normalie

Figure3.8 –Stockage de 100 modes AFC pour 1/∆=51µs. Un mode sur 8 est aléatoirement rempli par une impulsion forte, les autres modes restant vides. L’efficacité de ce stockage de 8.8 % est un résultat impressionnant compte tenu du 1/∆ utilisé ou du nombre de modes stockés.

que l’on peut faire en utilisant la méthode parallèle présentée dans la section 2.3. Afin de caractériser complètement la capacité multimode, l’efficacité est représentée sur la figure 3.9(b) en fonction de Nmodes. La figure 3.9(a) permet de voir les temps 1/∆

utilisés pour l’obtention des résultats de la figure 3.9(b).

(a) (b)

0 20 40 60 80 100 120 140 155

0 10 20 30 40

Nmodes

Efficaci(%)

0 20 40 60 80

0 10 20 30 40

1/ (s)

Efficaci(%)

Données expérimentales fit avec T2=8917 s fit avec T2=4514s

Figure 3.9 – En (a), on montre l’efficacité du stockage multimode en fonction du 1/∆

utilisé. Etonnamment, le déclin d’efficacité ne correspond pas à une exponentielle décrois-sante. Le déclin des 4 premiers points correspondrait àT2=45±14µs alors que les 5 derniers points correspondrait à T2=89±17 µs. Le déclin en fonction du nombre de mode Nmodes (correspondant à chaque 1/∆) est lui représenté en (b).

Stockage multimode de longue durée dans l’état de spin

Le plus intéressant est bien sûr de réaliser un stockage multimode dans l’état de spin. Dans ce but, deux impulsions de contrôle d’une bande passante de 5 MHz sont appliquées. Afin de conserver une efficacité de transfert correcte malgré cette bande passante importante, les impulsions font une longueur totale de 14 µs. Ainsi l’efficacité de transfert par impulsion est estimée à environ ηT=0.5. Le temps de stockage dans l’état de spin est de TS=0.5 ms et le retard AFC de 1/∆=41µs. Afin de réaliser un tel temps de stockage dans l’état de spin, une séquence de deux impulsions RF (cf. section 1.2) est également appliquée. Chaque impulsion RF est une impulsion adiabatique qui dure 120 µs au total pour une FWHM de 40 µs. Le chirp est lui fixé à 50 kHz.

Nous avons donc pu réaliser le stockage dans l’état de spin de 50 modes. L’efficacité globale de stockage de ces 50 modes est de 1,6%. On peut constater sur la figure 3.10 que l’amplitude des échos diminue avec le numéro du mode, ce qui contribue à une baisse de l’efficacité globale. Cet effet ne semble pas être dû à un effet de pompage optique attendu pour un grand nombre de modes. En effet, aucun problème de ce

530 540 550 560 0

0.01 0.02 0.03 0.04

Temps ( s)

Intensinormalisée

Figure 3.10 – Stockage de 50 modes dans l’état de spin. Des impulsions de contrôle de 14 µs sont appliquées afin de réaliser la bande passante de 5 MHz nécessaire au transfert dans l’état de spin.

type n’a été observé pour la génération de retard AFC (section précédente). Cet effet n’est actuellement toujours pas compris notamment car nous n’avons pas encore pris le temps de faire d’autre tests au laboratoire, d’autres expériences étant prioritaires.

Une étude plus précise du stockage AFC multimode dans l’état de spin sera réalisée dans un futur proche.

Conclusion

Pour conclure sur cette section, nous avons démontré la puissance du protocole AFC en terme de stockage multimode. Nous pouvons néanmoins constater qu’augmenter le nombre de modes provoque une baisse d’efficacité non négligeable même si ce déclin est bien moindre que pour d’autre protocole. Il est également important de souligner que ce déclin est majoritairement dû à des limitations techniques. La chute de l’écho AFC en fonction de 1/∆ ne semble pas être limitée par le temps de cohérence optique dans Eu3+:Y2SiO5 (T2 ∼400µs). De plus les impulsions pourraient être plus courtes et plus efficaces pour une bande passante élevée, si l’intensité laser était plus importante.

C’est pourquoi il est raisonnable de penser qu’une meilleure compréhension associée à des améliorations techniques pourraient améliorer encore l’efficacité pour un nombre importants de modes stockés.

3.3 Stockage longue durée d’états cohérents

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