Photoassociation à 2 photons de l’hélium métastable ultrafroid

Il y a peu de temps, seuls des atomes alcalins avaient donné lieu à la condensation de Bose-Einstein. Mais de nombreux laboratoires dans le monde tentent d’appliquer à d’autres éléments les techniques utilisées pour atteindre la condensation de Bose-Einstein avec les alcalins (Rb, Li, Na, Cs, Yb). Parmi ceux là, les gaz rares dans leurs états métastables se révèlent des candidats intéressants et originaux. Leur spécificité, qui les rend attirants mais aussi difficiles à manipuler, réside en la très grande énergie interne qu’ils possèdent, de l’ordre de plusieur eV. Pour des atomes dans un nuage ultra-froid, cette énergie électronique est très grande devant l’énergie externe, liée au mouvement : à une température de l’ordre du µK, le rapport entre énergie interne et énergie cinétique est de l’ordre de 10¹⁰. Cette énergie peut être libérée quand l’atome métastable entre en collision avec un atome ou une surface.

Les atomes d’hélium métastable (He∗) ont une énergie interne tellement élevée, de l’ordre de 20 eV, qu’ils peuvent ioniser très efficacement tout atome ou molécule à l’état fondamental lors d’une collision, à l’exception de l’hélium et du néon, dont les seuils d’ionisation sont plus grands que 20 eV. Lorsqu’un atome d’hélium métastable rencontre un autre partenaire, il peut lui arracher un électron, et se désexciter, conformément à la réaction suivante : He∗ + X → He + X⁺ + e⁻ ,

où X peut être un autre atome d’hélium métastable, une molécule ou un atome quelconque. Cette réaction est appelée ionisation Penning.

En outre, la longueur de diffusion est l’unique paramètre qui caractérise complètement les collisions élastiques à basse température et qui soit adapté à la description des interactions au sein du gaz ultrafroid (voir par exemple l’article de revue [Weiner et al., 1999]). Le signe de a renseigne sur le caractère attractif (a < 0) ou répulsif (a > 0) des interactions. Là encore, l’observation du condensat de BoseEinstein a donné les premières informations sur a. Tout d’abord, elle a démontré que a > 0, puisque le condensat est stable. En effet, une longueur de diffusion négative aurait conduit à l’effondrement du condensat sur lui-même à cause des interactions attractives [Gerton et al., 2001].

Depuis les premières observations de la condensation de Bose-Einstein de He∗ , la longueur de diffusion est restée un paramètre mal connu. Cette inconnue s’avère un handicap important pour les expériences menées jusqu’à présent, comme l’étude du régime hydrodynamique dans notre équipe [Leduc et al., 2002], ou l’étude des taux d’ions émis et des processus de collisions inélastiques dans l’équipe d’Orsay [Sirjean, 2003]. L’incertitude sur a représente une difficulté supplémentaire pour la calibration du nombre d’atomes dans l’expérience, et donc pour la détermination des autres propriétés collisionnelles, qui nécessite la mesure précise de la densité. Ainsi, la détermination expérimentale la plus précise de a à mon entrée en thèse (courant 2003) était due à l’équipe d’Orsay ( [Sirjean et al., 2002] et [Seidelin et al., 2003]), mais la précision de cette mesure indirecte reste tout de même faible (a = 11.3⁺²‧⁵ nm). Par conséquent, que les taux de pertes par collisions inélastiques à deux ou trois corps, respectivement notés β et L, sont eux aussi mal connus et sont alors subordonnés à la connaissance de a.

Plus généralement, la mesure de a est un prélude à la compréhension fine des interactions de paires d’atomes dans le gaz froid, dans le contexte scientifique actuel ou le challenge est dicté par la possibilité de contrôler très finement ces interactions de paires. C’est pour ces raisons que notre équipe s’est orientée, au début de l’année 2002, vers des expériences de photoassociation. Cependant, le champ des expériences nouvelles à réaliser ne se limite pas à la seule mesure de la longueur de diffusion. Ainsi, des dimères géants originaux ont été découverts et étudiés lors de la précédente thèse [Léonard, 2003]. De plus, la possibilité ou non de produire des dimères éventuellement “doublement” métastables restait une question en suspend. Tout d’abord la spectroscopie de ce type de molécules conduirait à une compréhension approfondie des collisions élastiques entre atomes métastables. Ensuite la mesure éventuelle de la durée de vie encore inconnue de ces dimères renseignera sur les mécanismes d’auto-ionisation de type Penning, supposés responsables de sa destruction.

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Table des matières

Introduction
1 Le dispositif expérimental
1.1 L’atome d’hélium métastable 4He∗
1.1.1 L’état métastable triplet
1.1.2 Les différentes collisions avec He∗
1.1.2.1 Les collisions Penning
1.1.2.2 Les collisions, sources de chauffage
1.2 Production et ralentissement de He∗
1.2.1 Le système laser
1.2.2 Le système à vide
1.3 Le piégeage magnétique et la détection
1.3.1 Caractéristiques du piège magnétique
1.3.2 Détection d’un nuage ultra-froid
1.3.3 La calibration de la température
1.3.4 Caractéristique du nuage piégé
1.4 Conclusion
2 Photoassociation à un photon dans l’hélium : nouvelles mesures
2.1 Principe de la photoassociation
2.2 Les dimères géants d’hélium
2.3 Acquisition des spectres de photoassociation
2.4 Nouveau dispositif laser
2.5 Mesure de l’énergie de liaison de l’état moléculaire le plus profond (v = 0) du potentiel 0+u
2.5.1 Corrections à l’énergie de l’état lié v = 0
2.5.2 Mesure du décalage de la raie moléculaire
2.5.3 Comparaison avec la théorie
2.6 Conclusion
Conclusion