PUCES A ATOMES EN ENVIRONNEMENT CRYOGÉNIQUE

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1 PUCES A ATOMES EN ENVIRONNEMENT CRYOGÉNIQUE Séminaire de Gilles NOGUES pour le FIP 07/10/2008 Anthony Perret Michel Woné INTRODUCTION Depuis l énoncé par Louis De Broglie en 1929 du principe de dualité onde/corpuscule qui attribue des propriétés ondulatoires à la matière, les physiciens n ont de cesse de réaliser des expériences «d optique de la matière» afin de mettre en évidence et à terme utiliser ces propriétés particulières. Ainsi ont vu le jour les interféromètres atomiques, puis les horloges atomiques dans lesquelles les transitions entre différents états internes d un atome permettent de mesurer le temps qui passe. La manipulation des atomes a fortement progressé lorsque il a été montré dans les années 1980 qu il était possible de ralentir les atomes d un jet atomique à l aide de lasers. Ces «atomes froids» ont une longueur d onde de De Broglie plus grande, si bien qu à partir d un certain stade, c est tout un nuage d atome qui adopte une unique fonction d onde et se comporte collectivement comme un objet quantique unique. La manipulation de ces condensats de Bose-Einstein est un enjeu important pour les physiciens car elle est à la base d un grand nombre d expériences et d applications très intéressantes, en physique quantique ou dans d autres domaines. 1. LE PRINCIPE DES PUCES À ATOMES Pour leur manipulation, les atomes sont traditionnellement piégés dans des «réceptacles» magnétiques générés par des bobines. La taille de ces pièges est macroscopique, de l ordre de la dizaine de cm. L idée explorée ici est la réduction de ces dispositifs à une taille micrométrique, une simple «puce» à atomes permettant alors le piégeage d un condensat de Bose-Einstein dans un volume plus faible, plus rapidement et avec moins d énergie. 1. Principe du piégeage Le piégeage proprement dit des atomes est réalisé par effet Zeeman dans un champ magnétique inhomogène. L effet Zeeman traduit la modification des niveaux énergétiques d une particule plongée dans un champ magnétique : l énergie des niveaux augmente ou diminue avec le champ permettant la création d un puits de potentiel pour les atomes se trouvant dans les niveaux piégeant (voir figure 1). Ce piége est réalisable à l échelle d une puce en utilisant un fil conducteur plongé dans un champ statique extérieur opposé au champ généré par le courant circulant dans le fil. Le champ du fil décroissant en Figure 1 - Piégeage des atomes par effet Zeeman.

2 l inverse de la distance au fil, il existe un point précis où les deux champs s annulent et qui constitue un puits de potentiel pour les atomes que l on souhaite piéger. Afin de circonscrire le piège en trois dimensions, une structure en U ou en Z est choisie pour le fil sur la puce (voir figure 2). Figure 2 - Piège magnétique avec fils en 'U' ou 'Z' sur une puce à atomes. Ainsi il est possible de fabriquer un dispositif très petit capable de contenir un condensat atomique de Bose-Einstein. Le champ généré par les fils est de l ordre de du gauss, le très fort gradient (~1000 gauss) assurant le confinement du condensat à une centaine de µm de la puce. La condensation de Bose-Einstein est atteinte en environ une seconde pour un tel dispositif. 2. Chargement de la puce Si le dispositif présenté précédemment constitue un bon «récipient» pour des atomes piégés, il faut également être capable d amener les atomes là on le désire. Il s agit donc d amener un nombre relativement grand d atomes dans un petit volume de l espace très précisément situé, le tout à une température très faible (de l ordre de 10 µk). Le déplacement des atomes depuis la source jusqu au piège se fait par l intermédiaire de pièges magnéto-optiques. Il est possible de générer une force de frottement fluide sur un atome en le soumettant à un rayonnement laser et une force de rappel à l aide d un champ magnétique hétérogène et polarisé. On peut ainsi contrôler précisément le mouvement d un atome à l aide de six lasers, un pour chaque direction de l espace. Cette géométrie n étant pas compatible avec la présence de la puce à atome, c est en pratique quatre lasers qui sont utilisés, l ajout d un miroir permettant l action sur les deux autres directions après réflexion des faisceaux (voir figure 3). Figure 3 - Piège magnéto optique 6lasers et piège magnéto-optique 4lasers + miroir

3 3. Intérêt de l utilisation de supraconducteurs Un dernier point sur lequel il est intéressant de revenir est l influence du matériau constitutif de la surface sur la durée de vie du nuage d atomes piégé près de celle-ci. Des résultats obtenus au MIT montrent que la durée de vie du nuage diminue lorsque celui-ci est plus proche de la surface, cet effet étant nettement plus important avec un matériau métallique qu avec un diélectrique (voir figure 4-a). Figure 4 - Durée de vie du nuage atomique piégé en fonction de la distance à la surface pour une surface métallique et une surface diélectrique. Durée de vie modélisée pour une surface supraconductrice sous sa température critique. Cet effondrement de la durée de vie avec une surface métallique s explique par la création d un champ magnétique fluctuant près de la surface à cause de l agitation thermique des électrons dans le matériau (bruit Nyquist). Ce champ magnétique peut permettre des transitions Zeeman vers des niveaux non piégeants, ce qui explique la fuite des atomes. Afin de réduire les fluctuations de ce champ, en vertu du théorème fluctuation-dissipation, on souhaiterait limiter au maximum les pertes dues à ces courants fluctuants. Les modèles prédisent effectivement que l utilisation d un supraconducteur permet d augmenter de façon significative la durée de vie des atomes dans le pièges (voir figure 4-b). Ce type de puce à atome permet d effectuer un certain nombre d expériences de grand intérêt, où l on peut étudier le couplage du condensat de Bose-Einstein piégé avec des structures de plus grande taille (comme des micropoutres), des cavités optiques ou des structures supraconductrices type SQUID

4 2. UNE EXPERIENCE DE PIEGEAGE Cette partie comprend la description d une expérience de piégeage d un nuage atomique dans une puce à atome semblable à celles décrites précédemment. 1. Puce et processus expérimental La puce utilisée est identique à celle représentée sur la figure 2. Elle est constituée d un wafer de silicium surmonté d une couche isolante de silice et d une couche de niobium. Les fils en Z et en U (larges respectivement de 280 µm et 40 µm) sont gravés par lithographie optique avec une précision de 5 µm. Une couche d or est ensuite déposée par évaporation afin de constituer le miroir des pièges magnéto-optiques. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis et piégés au voisinage de la puce selon un protocole opérationnel bien précis. Des atomes du jet atomique initial sont capturé par un premier piège magnéto-optique (2D-MOT sur la figure 5-a) et amené au voisinage de la cellule expérimentale dans le cryostat. La cellule expérimentale est entourée d un ensemble de bobines supraconductrices (en vert, violet et rouge sur la figure 5-b) capables de générer un champ magnétique uniforme dans n importe quelle direction afin de piloter le positionnement du piège. Les atomes sont alors capturés par un piège magnéto-optique miroir dont le champ est généré par une bobine quadripôle rectangulaire placée derrière la bobine. Enfin le nuage est transféré dans le dernier piège magnéto-optique «on chip», généré par le fil en U gravé sur la puce elle-même, puis dans le piège généré par le fil en Z. Figure 5 - Schéma de l'expérience. Photographie de la cellule expérimentale

5 2. Observation du nuage atomique Une fois le nuage d atome refroidi et piégé au voisinage de la puce, il est possible de l imager en «l éclairant» avec un faisceau laser résonant avec une transition atomique du nuage. Ainsi, les atomes absorbent une partie du faisceau et il est possible de voir «l ombre» du nuage sur l écran d une caméra CCD haute résolution placée en sortie. Miroir d or Reflet du nuage Nuage Figure 6 - Imagerie du nuage par absorption d'un faisceau laser résonant. De face et sur le côté avec un angle de 11. Il est ainsi possible de visualiser directement la densité atomique et de là, le nombre d atomes dans le nuage. La distance entre les deux spots du nuage et de son reflet sur l image de la figure 6-b permet d avoir une idée de la distance entre le nuage et la surface de la puce. En divisant cette distance par deux on obtient ~440µm entre le nuage et la paroi. De plus, en mesurant la taille du nuage en fonction du temps, on peut calculer la distribution en impulsion des atomes du nuage. CONCLUSION Il a donc été montré la faisabilité du piégeage d un nombre suffisant d atomes pour constituer un condensat de Bose-Einstein à proximité d une puce supraconductrice de taille micrométrique pendant des temps relativement long (de l ordre de la minute). L utilisation d un matériau supraconducteur à la surface de la puce permet l étude de phénomènes très intéressants comme l influence de courants permanents sur la configuration des pièges magnétiques au sein de la puce. SOURCES Présentation de Gilles NOGUES pour le FIP (07/10/2008) «Puces à atomes en environnement cryogénique». T. Nirrengarten, A. Qarry, C. Roux, A. Emmert, G. Nogues, M. Brune, J.-M. Raimond, S. Haroche «Realization of a superconducting atom chip», Phys. Rev. Lett. 97, (2006)