Une petite histoire du laser à atomes

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1 Journées X-ENS-UPS de Physique, 12 Mai 2010 Une petite histoire du laser à atomes Patrick Cheinet - Groupe d Optique Atomique Laboratoire Charles Fabry de l Institut d Optique (LCFIO) - Palaiseau QUDEDIS ESF/PESC Programme

2 I Généralités / Optique Dualité onde corpulscule Interférences Max Planck (1900) E h Huygens (1670) Fentes d Young (1801) Effet photoélectrique Einstein (1905) Comptage de photons Taylor 1909 Maxwell (1864) Photos par Lyman Page, princeton 2

3 I Généralités / Optique Émission stimulée, Einstein (1917) Photons Atomes Atomes Photons Laser = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Tous les photons dans un même mode Maiman 1960 Laser à atomes = tous les atomes dans un même mode 3

4 I Généralités / Optique atomique On peut considérer la matière comme une onde! h De Broglie, 1924 : p Premières vérifications sur des électrons Diffraction par un cristal Davisson et Germer, 1927 Fentes d Young : Jönsson, électron à la fois : Merli, 1974 Image par Tonomura 1989 Interférométrie sur la matière : masse, charge 4

5 I Généralités / Optique atomique Bose : les photons ont tendance à se grouper (1924) Einstein : les atomes aussi! Statistique de Bose-Einstein «Amplification bosonique» Prédiction du condensat de Bose-Einstein Laser Condensat de Bose-Einstein 5

6 I Généralités / Optique atomique Nécessite une température TRÈS basse Refroidissement et piégeage laser : Raab et al Prix Nobel en 1997 à C. Cohen-Tannoudji, S. Chu et W. Phillips T 1 10K Vitesse 10mm. s Refroidissement évaporatif : 1995 Prix Nobel en 2001 à E. Cornell, K. Wieman et W. Ketterle 1 T 100nK Vitesse 1. mm. s Le Condensat de Bose-Einstein est né! Couplage 6

7 I Généralités / Applications Contrôle du mouvement des atomes Lithographie atomique Limite de diffraction atomique? Flux important : vitesse de dépôt Interférométrie atomique : sensibilité accrue horloges atomiques : sensibilité relative Hz 1/2 Masse = capteur inertiel : Gyromètres / Accéléromètres Moment dipôlaire = capteur de champ électromagnétique 7

8 Plan II Condensation : Principe et mécanisme Réalisation expérimentale III Le laser à atomes : Premières réalisations Comment améliorer le flux, le contrôle des trajectoires? IV Cohérence : Étude de la cohérence d un condensat Et le laser à atomes? V Applications et perspectives 8

9 II Condensation Laser à atomes = tous les atomes dans un même mode Statistique de Bose-Einstein : n i e E / k A l équilibre, le niveau de plus basse énergie contient tous les bosons à T=0 : Condensat de Bose-Einstein i g B i T 1 Maxwell-Boltzmann Densité dans l espace des phases h 1 N at h 3 at 1 p mk T V B Comment y arriver? Stimulation bosonique! T>>Tc T>Tc T=Tc T=0 9

10 II Condensation Emission Stimulée Collision stimulée Photons Atomes Atomes Photons Onde atomique Atomes Cohérente «thermiques» Onde amplifiée Nécessite une température TRÈS basse mais lié aux collisions! Équilibre thermodynamique 10

11 II Condensation Mécanismes de refroidissement : Refroidissement par laser E e f Recul : Effet Doppler p k La force dépend de la vitesse : FRICTION 11

12 II Condensation Mécanismes de refroidissement : Refroidissement évaporatif B Piège magnétique : Minimum local de champ E. B Moments magnétiques opposés sont piégés Champ oscillant radiofréquence résonant au bord du piège Atomes les plus chauds s échappent 12

13 II Condensation Mécanismes de refroidissement : Refroidissement évaporatif Distribution tronquée. Collisions => Rethermalisation Collisions stimulées => Condensation MIT, équipe de W. Ketterle, 1995 LCFIO, expérience de laser à atome 13

14 II Condensation Condensat de Bose-Einstein (BEC) Laser à atomes = tous les atomes dans un même mode Solution stationnaire dans le piège ( r ) n( r) e i ( r ) Phase constante à travers le condensat La fonction d onde représente la probabilité de présence d un atome en r : P( r) ( r) Le condensat est-il un laser à atomes? 2 14

15 III Le laser à atomes Milieu à gain Laser optique Cavité Pompe Coupleur de sortie Laser à atomes Évaporation Atomes thermiques Piège Coupleur De sortie Shémas par K. Helmerson 15

16 III Le laser à atomes Premier coupleur de sortie : champ radiofréquence! Transférer les atomes dans un niveau insensible au champ magnétique E g z Impulsions radiofréquences Laser à atomes pulsé Paquet d onde macroscopique MIT : M.-O. Mewes et al., Phys. Rev. Lett. 78, 582 (1997) 16

17 III Le laser à atomes Premier coupleur de sortie : champ radiofréquence! Transférer les atomes dans un niveau insensible au champ magnétique E g z Impulsion radiofréquence longue Laser à atomes quasi-continu Munich : I. Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999) 17

18 III Le laser à atomes Augmenter le flux? Couplage à différentes hauteurs dans le condensat? E g z Interaction entre atomes Milieu à indice LCFIO : J.-F. Riou et al., (2005) 18

19 III Le laser à atomes Augmenter le flux? Transition à deux photons : Transfert d impulsion 2k h Interactions limitées 2k Longueur d onde atomique fixée (au temps courts) Choix de la direction E. Hagley et al., Science 283, 1706 (1999) 19

20 III Le laser à atomes Pince optique pour guider les atomes Meilleur contrôle des atomes? Annule la gravité : at cte Vitesse minimale très basse Contrôle de la trajectoire des atomes LCFIO : W. Guerin et al., Phys. Rev. Lett. 97, (2006) 20

21 III Le laser à atomes Pompage et émission Simultanés? Un laser à atome continu? Démonstration de principe : Pompage à partir d un autre condensat Transition à deux photons STIMULÉE vers le mode laser g Et la cohérence? N. P. Robins et al., Nature Physics. 4, 731 (2008) 21

22 IV Cohérence 22 N t r r t r r g ), ( ), ( ), ( 1 1 1) ( Fonction de corrélations du premier ordre : g (1) Source g (1) 1 r ou τ A B M ) cos(2 ) ( ). ( 2 1 ) ( * B A B A B A M I I t E t E I I I Thermique B A B A coh I I I I C 2 ) cos(2 ) 1 ( (1) coh AB B A M C g I I I Cohérent (monochromatique) g (1) mesure la cohérence Indépendamment du contraste 2 2 * (1) ) ( ). ( B A B A AB I I t E t E g

23 IV Cohérence Cohérence d un condensat Deux condensats indépendants Expansion libre : On observe des interférences Cohérence spatiale Corrélations de type (1) g AB M. R. Andrews et al., Science 275, 637 (1997) 23

24 IV Cohérence Cohérence d un condensat Interférences entre deux lasers à atomes : A B I. Bloch et al., Nature 403, 166 (2000) Interférences entre deux points sources du condensat Cohérence spatiale (fentes d Young) : (1) g AB 24

25 g IV Cohérence Fonction de corrélations du second ordre : g (2) (2) ( r, ) ( r, t) ( r, t) 1 1 g (2) mesure la probabilité de présence de deux corpuscules à une distance donnée et à un délai donné ( r 1 r, t ) ( r N 2 1 r, t ) g (2) 2 1 Thermique Cohérent (monochromatique) r ou τ Cohérent : 2 détections sont indépendantes quelle que soit la distance et le délai Thermique : Les bosons arrivent groupés alors qu ils sont émis indépendamment! 25

26 IV Cohérence Optique : Effet Hanbury Brown et Twiss (HBT) Les photons arrivent groupés Dépend de la taille de la source : mesure du diamètre angulaire de Sirius R. Hanbury Brown et R. Q. Twiss, Nature 178, 1046 (1956) 26

27 IV Cohérence g (2) dans un condensat? Condensat d hélium métastable LCFIO, M. Schellekens et al., Science 310, 648 (2005) LCVU Amsterdam, T. Jeltes et al., Nature 445, 402 (2007) 27

28 IV Cohérence g (2) dans un condensat chargé dans un potentiel périodique S. Fölling et al., Nature (2005) 28

29 IV Cohérence Réflexion sur une barrière Onde stationnaire Cohérence d un laser à atomes : E g z Cohérence temporelle du laser (analogie Michelson) g (1) ( ) M. Köhl et al., Phys. Rev. Lett. 85, (2001) 29

30 IV Cohérence Cohérence d un laser à atomes : Deuxième ordre Corrélations temporelles : détection d atomes uniques BEC Thermique A. Öttl et al., Phys. Rev. Lett (2005) 30

31 V Applications et perspectives Lithographie Optique atomique : focaliser un faisceau cohérent d atomes Atomes froids de Neon Holographie : hologramme Détecteur Image attendue Image obtenue heures Laser à atome secondes? 31

32 V Applications et perspectives Interférométrie atomique Clés de la sensibilité : durée d observation et flux Horloges atomiques à atomes froids : Sensibilité améliorée de plusieurs ordres Hz 1/2 32

33 V Applications et perspectives Gyromètres atomiques Vs optiques : Rapport de sensibilité (Aire égale) = Accélérométrie : 2 mc h Accélération terrestre : Observation des fluctuations de marée + Test du principe d équivalence dans l espace 33

34 1 cm V Applications et perspectives Miniaturisation Un microcircuit permet de créer le piège pour un condensat : Laser à atomes? «Puce à atomes» du LCFIO Laser de guidage intégré pour laser à atomes guidé? Interféromètre atomique miniature? Information quantique? 34

35 Conclusion Aujourd hui 100 groupes E g z 35