Les techniques usuelles de condensation de Bose-Einstein n´ecessitent en premier lieu un excellent vide. En effet, l’une des conditions sine qua non de la condensation est que les pertes par collisions avec les particules du gaz r´esiduel soient suffisamment peu importantes pour ne pas empˆecher, pen- dant l’´evaporation, l’accroissement de densit´e dans l’espace des phases dˆu au refroidissement.
Typiquement, aux densit´es initiales (avant ´evaporation) accessibles par les dispositifs actuels de pr´erefroidissement laser et de pi´egeage magn´etique, les
phases de refroidissement ´evaporatif durent quelques dizaines de secondes3. Il est donc n´ecessaire d’avoir des dur´ees de vie des atomes pi´eg´es de l’ordre de la minute ou plus.
Pour faire un rapide calcul d’ordre de grandeur pour la pression P , on consid`ere que la section efficace de collision atome pi´eg´e / particule de gaz r´esiduel σ est donn´ee par les rayons atomiques pour des potentiels d’inter- actions types « sph`eres dures » (collisions chaudes « classiques », puisque le gaz r´esiduel est en ´equilibre avec les parois, donc `a temp´erature ambiante). Le taux de collision avec le gaz r´esiduel Γ doit ˆetre de l’ordre de 1/60 s−1 pour une dur´ee de vie de l’ordre de la minute. On sait que Γ = n · σ · v, avec n = P/kBT la densit´e du gaz r´esiduel, et v =p8kBT /πm sa vitesse moyenne. Le gaz r´esiduel est consid´er´e comme compos´e essentiellement d’hydrog`ene, ce qui, au pire, nous am`ene `a sous estimer la pression (il n’y a rien de plus l´eger que l’hydrog`ene atomique). Les rayons typiques des interactions entre les particules sont donn´ees dans la litt´erature de l’ordre de quelques 10−10m, soit σ = 4π(r1 + r2)2 ∼ 2 · 10−18m2. Connaissant la masse de l’hydrog`ene m ∼ 1, 6 · 10−27kg, on trouve alors qu’un vide de l’ordre de 10−10mbar au moins est n´ecessaire.
2.2.1
Le premier dispositif de vide
La figure 2.2 montre un sch´ema de la premi`ere g´en´eration de dispositif exp´erimental. mélasse transverse pompe ionique + sublimateur de titane pompe ionique solénoïde ralentisseur cellule en Pyrex azote liquide 2ebobine ralentisseur flexicryoplongeur pompage primaire obturateur vanne de protection four laser ralentisseur panneau cryogénique pôles du quadrupôles
enceinte primaire enceinte secondaire
0 0.6 1.6 2.2 y (mètres)
z
tube d'isolement
Fig. 2.2 – Vue d’ensemble du dispositif exp´erimental.
Pour cette g´eom´etrie de syst`eme `a vide, l’inconv´enient principal qui ap-
3Un crit`ere quantitatif de bon fonctionnement du refroidissement ´evaporatif existe. Il
requiert que le produit du taux de collisions ´elastique initial par la dur´ee de vie du pi`ege soit au moins sup´erieur `a 300 [32]. Ceci permet d’obtenir le r´egime d’emballement (voir 2.7.2)
paraˆıt `a l’usage est que la cellule n’est pas d´ebouchante. Les atomes ´eject´es par le four en fonctionnement vont donc s’accumuler dans la cellule en verre finale o`u ils sont difficilement pomp´es. Ces atomes sont, de fait, en nombre beaucoup plus important que les atomes r´eellement « utiles » (i.e. les atomes de87Rb effectivement ralentis et pi´eg´es). En effet il sort du four en majorit´e des atomes de85Rb non utilis´es, et tous les atomes de87Rb ´eject´es ne sont pas forc´ement efficacement ralentis et pi´eg´es. En pratique, nous avons observ´es qu’apr`es quelques mois de fonctionnement normal, les parois de la cellule se trouvent satur´ees en Rubidium au point de commencer `a s’opacifier. Le fonc- tionnement des dispositifs de refroidissement laser s’en trouve alors perturb´e, et la pr´esence d’un gaz r´esiduel de Rubidium dans la cellule finit par entraver, `
a la longue, le bon d´eroulement de l’´evaporation forc´ee. Empiriquement, nous avons observ´e qu’il devient tr`es difficile de condenser `a partir du moment o`u il devient possible de charger un petit PMO de quelques 105 atomes de 87Rb `
a partir de la seule pression de vapeur r´esiduelle. Ceci nous oblige `a proc´eder r´eguli`erement `a des r´e´etuvages du syst`eme `a vide, proc´edure complexe car elle nous oblige `a d´emonter l’´electro-aimant, ainsi qu’une partie du syst`eme optique, et `a immobiliser de facto l’exp´erience pendant plusieurs semaines.
En revanche, ce type de dispositif `a cellule non d´ebouchante pr´esente l’avantage de permettre la mise en place ais´ee de n’importe quel type d’´electro- aimant pour le pi´egeage magn´etique. En particulier, ceci nous a ´et´e tr`es utile pour nous permettre de tester facilement les diverses g´en´erations d’´electro- aimants, les premi`eres versions n’´etant pas en pratique suffisamment d´emon- tables pour ˆetre install´ees autour d’une cellule non d´ebouchante. N´eanmoins, les progr`es que nous avons r´ealis´es dans la compr´ehension et la r´ealisation des ´electro-aimants `a pˆoles ferromagn´etiques pour le pi´egeage d’atomes neutres nous a permis de disposer pour le nouveau dispositif exp´erimental d’un ´electro-aimant facilement d´emontable (voir 2.5.3). Celui-ci peut donc faci- lement ˆetre impl´ement´e autour d’une cellule du type de celle du nouveau dispositif exp´erimental, d´ecrit dans le paragraphe suivant.
2.2.2
Dispositif de deuxi`eme g´en´eration
La figure 2.3 pr´esente un sch´ema d’ensemble du nouveau dispositif exp´e- rimental.
La premi`ere diff´erence qui apparaˆıt par rapport au montage pr´ec´edent est que nous avons ici r´ealis´e un montage de cellule d´ebouchante. Ceci n’est possible que grˆace `a l’emploi d’un soufflet orientable qui permet un montage rigide mais ajustable entre deux pi`eces d’un syst`eme `a vide.
Une autre diff´erence importante est l’absence de m´elasse transverse, celle- ci nous ayant sembl´e apporter un gain trop faible par rapport `a la complica- tion qu’elle apporte (un petit facteur 3 sur la vitesse de chargement, pour des
Vanne Soufflet anti-vibratoire Vanne Pompe Turbo Four Pompe primaire LN2 pompe
ionique Sublim.Titane Eau
Zeeman 1
Panneau cryo Soufflet orientable Zeeman 2 pôles du quadrupôle Cellule en quartz laser ralentisseur Obturateur
enceinte primaire enceinte secondaire
0 0.4 1.2 1.4 (mètres) 1.6 Faisceaux PMO (hors du plan) Réservoir azote liquide
tube de différentiel cellule Faisceaux
PMO (dans le plan) (à palettes)
Fig. 2.3 – Vue d’ensemble du nouveau dispositif exp´erimental.
r´eglages pouvant prendre une journ´ee enti`ere). ´Evidement, nous ne disposons plus alors de moyen d’orienter le jet atomique sortant du four. Il est donc essentiel d’assurer un parfait centrage de la direction d’´emission du jet sur le reste du syst`eme `a vide. Cela est r´ealis´e lors du montage grˆace au petit hublot CF16 sur le four qui permet de v´erifier que l’axe de collimation du jet d´efini par le four co¨ıncide parfaitement avec les axes des autres ´el´ements du syst`eme `a vide (vanne de protection, panneau cryo et cellule en quartz)4.
On peut noter ´egalement l’utilisation du r´eservoir d’azote liquide `a double paroi sous vide. Ceci permet de maintenir dans les ´el´ements cryog´eniques du syst`eme ultravide une temp´erature basse constante sans avoir `a recharger trop fr´equemment en azote liquide (deux fois par jour environ). Par ailleurs, il permet de gagner un bon ordre de grandeur sur le vide de refoulement, et donc aussi de gagner un peu sur le vide de l’enceinte.
Dans l’ensemble, nous avons donc gagn´e un peu en compacit´e, en effica- cit´e, et en facilit´e d’utilisation en r´egime de fonctionnement normal. N´ean- moins, le fait d’utiliser une cellule d´ebouchante interdit d’utiliser les premi`eres g´en´erations d’´electro-aimant, celui-ci devant ˆetre sp´ecifiquement ´etudi´e pour
4En pratique, nous avons observ´e que les tol´erances de fabrication et de mise en position
n´ecessitaient, pour un ajustement optimal, de l´eg`eres corrections sur les positionnements des diff´erents ´el´ements, obtenues ais´ement par l´eg`eres d´eformations sous contrainte des ensembles m´ecaniques.
pouvoir ˆetre mont´e sur notre syst`eme. Par ailleurs, un point qui doit ˆetre not´e est que, comme l’ensemble du syst`eme est rigidement fix´e, les dilatations cons´ecutives aux phases d’´etuvages initiales (typiquement 300 ˚C pendant 2 semaines) peuvent avoir des cons´equences catastrophiques si l’on n’y prend pas garde. En particulier il faut, au fur et `a mesure de la mont´ee ou de la baisse en temp´erature, adapter la longueur du soufflet orientable (`a l’aide de ses trois vis de r´eglage) si l’on ne veut pas casser la cellule en verre/quartz du fait des fortes contraintes qui s’exercent lors des dilatations thermiques.