Soutenance mémoire
Le domaine de la manipulation d’atomes par laser a connu un développement extraordinaire au cours des deux dernières décennies. L’observation par plusieurs groupes [1,2, 3] de la condensation de Bose-Einstein permet de mesurer le chemin parcouru, depuis lapremière mise en évidence expérimentale par Frisch [4] en 1933 de la déflexion d’un jet de sodium illuminé par la lumière d’une lampe. L’effort de recherche a tout d’abord essentiellement porté, dans les années 80, sur le refroidissement et le piégeage d’atomes par laser. Il a conduit en particulier à l’élaboration du piège magnéto-optique (PMO) [5] , qui est devenu un outil standard pour le confinement spatial et le refroidissement d’un échantillon d’atomes neutres. De nouveaux mécanismes de refroidissement, comme le refroidissement Sisyphe [6, 7] , ont permis d’obtenir des températures inférieures à la limite Doppler, très proches du seuil imposé par le recul du photon. Ce seuil a été lui-même franchi en 1988 [8] , grâce au piégeage cohérent de population sélectif en vitesse (VSCPT). Des températures sub-recul ont également été obtenues par la technique du refroidissement Raman [9, la] . Plus récemment, on a pu assister à un essor très important de l’optique atomique. Ce domaine vise à utiliser les atomes dans des dispositifs analogues à ceux qui existent en optique « conventionnelle ». On peut ainsi réfléchir, focaliser, faire difIi:acter et interférer des faisceaux atomiques. Des hologrammes atomiques ont même été réalisés [11] . Les applications potentielles sont nombreuses et de nature très diverse; parmi celles-ci, on peut citer l’utilisation d’interféromètres atomiques comme gyromètres [12, 13] ou pour mesurer la gravitation [14] , ainsi que les applications des faisceaux atomiques à la micro- (voire nano-) lithographie [15] . Les techniques de manipulation par laser interviennent à plus d’un titre dans le développement de l’optique atomique. En premier lieu, elles sont souvent à la base du fonctionnement des « composants » élémentaires (miroirs, lentilles, …) qui permettent de faire de l’optique avec les atomes. Par ailleurs, elles sont indispensables à l’élaboration de sources atomiques possédant les caractéristiques appropriées (intensité, cohérence).
Rappels sur l’interaction atome-laser
Les forces radiatives
Le traitement complet et rigoureux du problème de l’évolution des degrés de liberté de l’atome intéragissant avec une onde électromagnétique n’est pas notre objectif; on trouvera un tel traitement par exemple dans la référence [21] . Nous cherchons plutôt à dégager quelques idées physiques simples et quelques résultats importants qui seront utilisés ..parJa suite. l?interaction entre une onde lumineuse et un atome donne naissance à deux types de forces susceptibles d’être utilisées pour manipuler ce dernier: la force de pression de radiation résonnante et la force dipolaire. Ces forces différent notablement par leurs caractéristiques et leur interprétation. Les deux expériences décrites dans ce mémoire font chacune intervenir l’un de ces aspects de l’interaction atome-laser: la pression de radiation sera utilisée pour manipuler et augmenter l’intensité du jet d’hélium métastable (voir partie [iJ); la force dipolaire exercée par une onde évanescente nous permettra, dans la partie [2J, de réfléchir un nuage d’atomes froids de Rubidium en incidence normale sur un miroir à atomes.
Pourquoi l’hélium métastable?
L’hélium métastable (He*) présente des caractéristiques qui en font une espèce atomique particulièrement intéressante, tant d’un point de vue fondamental qu’appliqué. A cause de la simplicité de son schéma électronique, l’hélium constitue un système « modèle » dont on sait calculer la plupart des propriétés, et qui peut donc être utilisé pour tester des modèles théoriques 3. D’autre part, ses paramètres physiques (en particulier sa masse très faible) donnent éventuellement accès à de nouveaux régimes dans certaines expériences de manipulation par laser comme l’étude de la réflexion quantique [22] . Il s’agit également d’un candidat prometteur pour la condensation de Bose-Einstein [23] ; la possibilité de comparer le comportement de l’hélium 4 (boson) et de l’hélium 3 (fermion) semble particulièrement intéressante. Par ailleurs, l’intérêt de l’hélium métastable a été démontré dans un certain nombre d’applications pratiques. La première de ces applications consiste à utiliser les atomes métastables dans un processus de lithographie. Cette technique a été testée dans plusieurs groupes [24, 15] et a d’ores et déjà démontré sa capacité à produire des résolutions de bord de 30 nm. Elle tire parti de la grande quantité d’énergie stockée dans l’état métastable (I »V 20 eV), qui peut être communiquée à une couche sensible par le biais du phénomène d’ionisation Penning .
Les molécules qui constituent la couche sensible, connues sous l’appellation de SelfAssembling Monolayers (SAMs), ont des propriétés hydrophobes qui sont modifiées lors de l’exposition à l’He*. On peut alors attaquer sélectivement le substrat dans les zones exposées, et reproduire un motif sur celui-ci. L’avantage principal de cette technique sur la méthode standard de lithographie par insolation aux UV est qu’elle n’est pas limité, comme cette dernière, à une résolution minimale de l’ordre de 100 nm. Cette limite est fixée, dans le cas des uv, par la diffraction; dans le cas des atomes, les longueurs d’onde de de Broglie sont beaucoup plus faibles et ne limitent pas la résolution. L’utilisation d’atomes métastables constitue donc une alternative potentielle aux autres méthodes actuellement à l’étude, à savoir celles utilisant les électrons ou les rayons X.
L’hélium métastable constitue également un outil précieux pour l’étude des surfaces, comme en témoigne la littérature abondante sur le sujet (voir par exemple [25, 26,28]). Les techniques de l’optique atomique offrent potentiellement la possibilité de focaliser un faisceau d’He* sur une petite surface de l’échantillon, et donc de réaliser une sonde ayant une résolution spatiale élevée.
Problématique de la détection de l’ H e*
Les techniques de détection de l’ H e* peuvent être classées en deux catégories, distinguées par le type d’interaction mise en oeuvre: interaction H e*-surface métallique (détection « électronique ») ou interaction H e*-laser sonde (détection » optique »). Nous détaillons ces différentes techniques dans les deux parties qui suivent. La possibilité d’une détection électronique constitue un avantage certain des atomes métastables comme l’H e* ou le N e*. Ce type de détection ad’ailleurs été systématiquement utilisé dans les expériences antérieures sur l’ H e* [29,33,41,42,43] . D’interprétation simple, elle permet des mesures quantitatives du flux d’atomes métastables. Des dispositifs comme les galettes de micro-canaux constituent par ailleurs un outil remarquable pour imager la distribution spatiale à deux dimensions d’un faisceau atomique.
I.:inconvénient majeur de la détection électronique est qu’elle nécessite l’introduction de pièces matérielles dans le faisceau atomique. Ceci la rend parfois difficilement compatible avec la mesure recherchée. Ainsi, lorsque l’on veut détecter des atomes ralentis, la plaque de détection doit être transparente pour laisser passer le faisceau laser ralentisseur. D’autre part, on souhaite à long terme disposer de points permanents de diagnostic du jet atomique. La détection électronique implique alors l’utilisation de systèmes de translation sous vide. Enfin, les informations fournies par les méthodes optiques sont souvent complémentaires de celles obtenues par détection électronique: la sélectivité en vitesse de la détection optique permet ainsi d’obtenir facilement certaines quantités, pour lesquelles l’emploi de la détection électronique serait plus fastidieux.
C’est pourquoi nous avons privilégié, lorsque cela était possible, l’utilisation des méthodes de détection optique. Toute la détection est effectuée à la même longueur d’onde que celle utilisée pour la manipulation des atomes (λ = 1,083 Ilm), ce qui évite de compliquer l’expérience. Ce type de détection se distingue par sa grande souplesse d’utilisation, et constitue un outil de choix pour l’analyse des distributions des vitesses atomiques. En revanche, l’interprétation des signaux est souvent plus délicate que dans le cas de la détection électronique, et la sensibilité est plus faible.
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Table des matières
Introduction générale
1 Rappels sur l’interaction atome-laser
1. 1 Notations et définitions
1. 2 Effet Doppler et effet Zeeman
1) Effet Doppler
2) Effet Zeeman
1. 3 Les forces radiatives
1) La force de pression de radiation
4) La force dipolaire
Partie 1: Un jet intense d’hélium métastable pour l’optique atomique
Introduction
II La détection des atomes d’hélium métastables
II. 1 Problématique de la détection de l’He*
II. 2 La détection électronique
II. 3 La détection optique
IL 3. A Paramètres importants de l’H e*
II. 3. B La détection à 1,08 microns
II. 3. C Sélectivité en vitesse
II. 3. D Détection de la fluorescence
1) Spectroscopie de fluorescence
2) Imagerie de la fluorescence: mesure de la densité spatiale atomique
II. 3. E Mesure de l’absorption
1) Technique de la modulation de fréquence
2) Technique de la sonde balayée
II. 3. F Evaluation des incertitudes
II. 3. G Comparaison fluorescence-absorption
III Production d’un faisceau intense d’atomes d’H e* ralentis
III. 1 Description générale de l’expérience
III. 1. A Le montage expérimental
III. 1. B Les lasers
1) Caractéristiques
2) Stabilisation fréquentielle et obtention du désaccord
III. 2 La source d’hélium métastable
III. 2. A Jet supersonique
III. 2. B Description de la source
III. 2. C Caractérisation de la source
1) Distribution des vitesses longitudinales
2) Divergence et intensité du jet atomique
III. 3 La collimation transverse
III. 3. A Principe de la collimation transverse
1) La mélasse optique: quelques rappels
2) Fronts d’ondes courbés
III. 3. B Schéma expérimental
III. 3. C Résultats expérimentaux
1) Observation qualitative de la collimation
2) Analyse des performances
III. 4 Le ralentissement du jet atomique
III. 4. A Introduction: ralentissement d’un jet atomique
III. 4. B Principe du ralentissement Zeeman: rappels
III. 4. C Conception du ralentisseur
1) Paramètres du ralentisseur
2) Production du champ magnétique
III. 4. D Montage expérimental
1) Le solénoïde
2) Montage optique
III. 4. E Etude expérimentale du ralentissement
1) Détection des atomes ralentis
2) Etude du ralentissement
3) Analyse du décrochage
4) Performances du ralentissement
5) Diffusion transverse
IV Le Concentrateur
IV. 1 Introduction
Iv. 2 Principe du concentrateur
Iv. 2. A Force moyenne dans un MOT
IV. 2. B Principales propriétés du concentrateur: cas d’une friction infinie
Iv. 2. C Le concentrateur: analyse plus détaillée
1) Gradient inhomogène
2) Prise en compte du « traînage »: friction finie
3) Contraintes sur le profil du gradient: rôle du décrochage
4) Simulations numériques
5) Taille du faisceau atomique focalisé
6) Force magnétique . »
IV. 3 Le concentrateur: réalisation expérimentale
IV. 3. A Montage expérimental
1) Le montage optique
2) Le champ magnétique quadrupolaire
IV. 3. B Etude expérimentale du concentrateur
1) Etude de la focale
2) Taille du faisceau focalisé
3) Plage de capture et gain en densité spatiale
4) Déflexion et balayage du faisceau atomique
IV. 4 Conclusion
Conclusion et perspectives
Partie 2: Réflexion d’atomes de rubidium sur une onde évanescente exaltée
Introduction
V Le miroir à onde évanescente
V. 1 Réflexion par le potentiel dipolaire
V. 2 Interaction de van der Waals: rôle dans le miroir atomique
V. 3 SuppresslOn e emlSSlOn spontanee
VI Exaltation de l’onde évanescente: le guide d’onde résonnant
VIIRéflexion d’atomes froids sur l’onde exaltée
VII. 1 Schéma expérimental
VII. 2Principe de l’expérience: mesure du seuil de réflexion
VII. 3 Résultat expérimentaL
Conclusion
Bibliographie
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