Une nouvelle signature de la condensation

Nous avons utilis´e comme signature de la condensation de Bose-Einstein la double structure des temps de vol et la variation de la taille du condensat avec le nombre d’atomes. D’autres signatures existent, comme les propri´et´es de coh´erence d’un condensat ou l’inversion d’ellipticit´e du nuage pendant son expansion. Cependant, dans le cas d’un atome m´etastable, nous avons une si-gnature originale, qui est l’´evolution du taux d’ions produits par l’´echantillon au moment de la condensation. L’objet du prochain chapitre est d’´etudier cette ´evolution ainsi que les autres possibilit´es qu’apporte ce signal d’ions.

Un outil particulier aux atomes m´ etastables : le signal d’ions

L’obtention mˆeme du condensat de Bose-Einstein d’h´elium m´etastable [9, 8], ´etudi´ee au chapitre pr´ec´edent, a d´emontr´e que le taux de collisions

in-´elastiques ´etait particuli`erement r´eduit dans un ´echantillon polaris´e. En effet, un fort taux de collisions in´elastiques (voir chapitre 1) aurait bloqu´e le re-froidissement ´evaporatif avant d’atteindre la condensation, le taux de pertes devenant plus important que le taux de collisions ´elastiques pour des densi-t´es faibles. Le taux de collisions in´elastiques n’est cependant pas totalement supprim´e dans un ´echantillon polaris´e (le chapitre 5 d´etaille les mesures des constantes de collision), et vers la fin du refroidissement ´evaporatif, quand la densit´e devient suffisamment importante, le nuage atomique produit un taux d’ions non n´egligeable que nous sommes capables de d´etecter. L’analyse de ce signal d’ions (paragraphe 4.3) permet de montrer qu’il constitue une signature originale de la condensation de Bose-Einstein.

Ceci constitue l’int´erˆet essentiel de l’observation du signal d’ions mais ce n’est pas le seul. Le but de ce chapitre est de d´etailler un certain nombre des possibilit´es qu’offre ce signal d’ions. Dans une premi`ere partie (4.1), nous montrerons qu’il simplifie la tˆache de l’exp´erimentateur, en rendant simples, rapides et pr´ecises des exp´eriences qui, dans le cas des alcalins, sont longues et fastidieuses. C’est par exemple le cas pour mesurer la dur´ee de vie ou les fr´equences d’oscillations.

Dans une deuxi`eme partie (4.2), les possibilit´es originales qu’apporte le taux d’ions sont abord´ees. Nous montrerons comment l’observation du taux d’ions pendant les diff´erentes phases menant `a la condensation (Figure 4.1), est un v´eritable ”monitoring” du nuage qui permet de suivre son ´evolution et de d´eceler des probl`emes ´eventuels. Nous d´etaillerons notamment comment le signal de la figure 4.1 est obtenu et les informations qu’il apporte.

Enfin, le dernier paragraphe (4.3) se concentre sur l’´etude du taux d’ions pendant les derni`eres secondes de l’´evaporation et apr`es la formation du condensat. Une ´etude exp´erimentale permet de montrer que le taux d’ions est non seulement une signature de la condensation mais aussi un indicateur pr´ecis du moment o`u elle survient. Enfin, le signal d’ions obtenu pendant la

40x10^-3

30

20

10

0

Si gn al d 'io ns (V )

35 30

25 20

15 10

5 0

temps (s)

Piège Magnétique

Rampe RF

60x10³ 50 40 30 20 10

T au x d' io ns d ét ec té ( cp s/ s)

35 34

33

temps (s)

Fig.4.1 –Signal d’ions enregistr´e de fa¸con analogique pendant les diff´erentes phases du refroidissement ´evaporatif. Ce signal est obtenu en soustrayant le signal obtenu en repoussant les ions (grilles port´ees `a un potentiel positif) du signal obtenu en attirant les ions (voir paragraphe 4.2). Un filtre (RC ' 1 s) est utilis´e pour diminuer le bruit. Les discontinuit´es du taux d’ions proviennent d’une mauvaise soustraction des deux signaux. Les atomes sont charg´es dans le pi`ege magn´etique `a t= 0 puis, apr`es un temps d’attente, on commence `a appliquer la rampe RF de refroidissement ´evaporatif (`a partir du trait en pointill´e). Pendant toute la premi`ere partie du refroidissement, le signal est dˆu aux collisions avec le gaz r´esiduel et est donc proportionnel au nombre d’atomes. Vers la fin de l’´evaporation, le signal d’ions augmente, preuve qu’il commence `a d´ependre de la densit´e. L’encart pr´esente une mesure du taux d’ions en comptage pendant les derni`eres secondes de l’´evaporation.

La brusque rupture de pente est la signature de la brusque augmentation de densit´e `a la formation du condensat.

formation du condensat est compar´e `a une ´etude th´eorique dans l’approxi-mation de champ moyen.

4.1 Un outil qui simplifie la tˆ ache de l’exp´ e-rimentateur

Nous avons vu, dans le premier chapitre, que la nature des ions produits d´epend de la densit´e de l’´echantillon. D’apr`es les estimations th´eoriques, tant que la densit´e reste inf´erieure `a 10¹² at/cm³, les collisions avec le gaz r´ e-siduel (r´eactions 1.3) dominent. Le taux d’ions est alors proportionnel au nombre d’atomes. Pour des densit´es plus ´elev´ees, les collisions Penning `a deux corps (r´eactions 1.4) et les recombinaisons `a trois corps (r´eactions 1.9) interviennent. Le taux d’ions n’est plus alors seulement d´ependant du nombre d’atomes mais aussi de la densit´e de l’´echantillon. Nous allons dans ce para-graphe d´ecrire une utilisation du signal d’ion dans chacun de ces domaines de densit´e. Lorsque le signal d’ions est proportionnel au nombre d’atomes, il peut nous servir `a mesurer la dur´ee de vie de l’´echantillon. Lorsqu’il d´epend de la densit´e, il peut nous permettre de constater un chauffage du nuage.