Les atomes froids (à Nice: effets collectifs dans l interaction atomes-lumière)

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1 Les atomes froids (à Nice: effets collectifs dans l interaction atomes-lumière) William Guerin Institut Non Linéaire de Nice CNRS & Université Nice Sophia-Antipolis

2 Plan Les atomes froids: pourquoi? comment? Applications et recherches actuelles À Nice: effets collectifs dans l interaction atomes-lumière 2

3 Froids? TRÈS FROIDS! Température = Energie cinétique liée à l agitation thermique. Température ambiante (~300 K) ~ 300 m/s! Atomes froids: domaine du µk! 3

4 Pourquoi refroidir les atomes? Motivation initiale (1980s) : les horloges atomiques Horloge traditionnelle = + Horloge atomique: + 4

5 Applications des horloges atomiques - Physique fondamentale: relativité restreinte et générale,... - Synchronisation des réseaux de télécommunications - GPS -... Limite de la précision des horloges atomiques traditionnelles: Les atomes bougent très vite Le temps d interrogation est très court. 5

6 Comment ralentir les atomes? Utiliser la lumière! Pression de radiation 6

7 La pression de radiation Les photons ont une impulsion, p = ħk. Absorption par un atome: l impulsion est transférée à l atome. Réémission dans une direction aléatoire: pas d effet sur la vitesse moyenne. Force dans la direction du faisceau lumineux On peut pousser les atomes! Question: Est-ce que je pousse les molécules d air avec mon pointeur laser? 7

8 Résonance étroite Section efficace ~ l 2 A résonance, les atomes sont des diffuseurs très efficaces! ex: raie D 2 du 85 Rb, l=780 nm G ~ 6 MHz Mais la résonance est très très étroite! Facteur de qualité Q = n 0 /G ~ Nécessite des lasers parfaitement accordés sur la transition atomique. 8

9 Résonance étroite vs Effet Doppler En plus, les atomes bougent! Effet Doppler A T~300 K, Dn Doppler ~ 300 MHz Plus large que la résonance Le laser ne sera à résonance qu avec une classe de vitesse Dès que le laser va les pousser, ils sortiront de la résonance Solution: compenser le changement de décalage Doppler par un décalage Zeeman variable «Ralentisseur Zeeman» 9

10 Refroidissement Doppler 1 ère idée: Utiliser des paires de faisceaux laser dans toutes les directions. MAIS: les forces des deux lasers d une paires vont s additionner et s annuler. Il faut introduire un déséquilibre qui dépend de la vitesse de l atome. Utiliser l effet Doppler + un laser légèrement désaccordé n laser < n atome ATOME LASER v LASER état excité G n atome Force de friction «Mélasse optique» état fondamental n laser 10

11 Piège magneto-optique Pour piéger, il faut introduire un déséquilibre qui dépend de la position de l atome force de rappel On utilise un champ magnétique inhomogène (effet Zeeman). Piège magneto-optique (MOT) Température: entre qq µk et qq 100 µk. MOT de 85 Rb à l INLN N ~ atomes T ~ 200 µk 11

12 Refroidissement laser MOT: outil de base de tous les labos d atomes froids Beaucoup d autres techniques et de subtilités! - Refroidissement subdoppler (effet Sysiphe) - Refroidissement subrecul - Piège dipolaire («pince optique»)

13 Un prix Nobel pour les atomes froids Nice Physics Camp 2016 William Guerin 13

14 On a des atomes froids, on est contents? 14

15 On veut des atomes ultra froids! Difficile de descendre en dessous de quelques µk avec le refroidissement laser. Refroidissement «évaporatif» Principe: mettre les atomes dans un piège conservatif tronqué, attendre, et baisser la hauteur du piège progressivement. 15

16 Condensation de Bose-Einstein On perd beaucoup d atomes, mais on atteint quelques nk. Mesure de la distribution de vitesse au cours du refroidissement: Transition de phase due à la statistique quantique des atomes (bosons) k B T 16

17 Condensation de Bose-Einstein La condensation de Bose-Einstein est aussi une manifestation macroscopique de la nature ondulatoire des atomes ondes de matière 17

18 Un prix Nobel pour les atomes ultra-froids Nice Physics Camp 2016 William Guerin 18

19 A quoi ressemble une manip? Nice Physics Camp 2016 William Guerin 19

20 Et une manip vraiment compliquée? Ici à l Institut d Optique, Palaiseau. Il y a pire... Nice Physics Camp 2016 William Guerin 20

21 Plan Les atomes froids: pourquoi? comment? Applications et recherches actuelles Métrologie Gaz quantiques dégénérés Autres directions... À Nice: effets collectifs dans l interaction atomes-lumière 21

22 Précision des horloges atomiques atomes froids Record actuel (2015): , soit 1s sur 15 milliards d années (l âge de l Univers)! Bientôt (2017), une horloge à atome froids dans la station spatiale internationale (mission ACE). 22

23 Interférométrie atomique Atomes froids = ondes de matière Interférométrie, comme en optique En plus: les atomes ont une masse Beaucoup plus sensible aux effets inertiels (accélération & rotation) Sensibles à la gravité (= accélération vers le bas) Gravimètres, accéléromètres et gyromètres à atomes froids... Le gravimètre est maintenant commercialisé! 23

24 Cohérence des condensats Interférence entre deux condensats indépendants: Le condensat, source cohérente d ondes de matière pour l «optique atomique» laser à atomes 24

25 Gaz quantiques et matière condensée Ketterle, discours du prix Nobel : atomic physics and quantum optics has met condensed matter physics Un condensat est superfluide: étude de la superfluidité dans un régime de faible interaction. On peut piéger les atomes dans un potentiel périodique (1D, 2D, 3D) et simuler des problèmes de la physique du solide (électrons dans un cristal métallique). 25

26 Et avec les fermions... Principe d exclusion de Pauli: deux fermions identiques ne peuvent occuper le même état. «mer de Fermi» dégénérée Mais on peut faire des paires (spin up + down): comme dans les supraconducteurs... 26

27 Gaz quantiques et matière condensée Problèmes de plus en plus complexes: les systèmes de basse dimensionnalité, le magnétisme ou le transport quantique... «Simulateurs quantiques» 27

28 Interactions entre atomes Propriétés collisionnelles à basse température, mélange d espèces... Physique moléculaire... Molécules ultra-froides Interactions à longues portées (atomes magnétiques ou atomes de Rydberg) Vers la chimie ultra-froide Problème à 3 corps (physique d Efimov) 28

29 Systèmes hybrides: atomes +... Atomes + plasmons Atomes + superconducteurs Atomes + nanofibres Atomes + nanotubes de carbonne... 29

30 Conclusion de la première partie Le 1 er MOT a déjà 30 ans! Les applications concrètes (horloges, gravimètres) viennent seulement d arriver sur le marché. Au niveau de la recherche fondamentale, c est devenu un domaine très important qui pourra avoir des répercussions sur d autres systèmes. Le 1 er condensat de Bose-Einstein a déjà 20 ans! Toujours un domaine de recherche très riche et dynamique! Mais les expériences sont de plus en plus complexes... (bientôt plus à la portée des petites équipes???) 30

31 Plan Les atomes froids: pourquoi? comment? Applications et recherches actuelles À Nice: effets collectifs dans l interaction atomes-lumière Qui? Quoi? Quelques exemples... Et aussi avec des atomes «chauds»! 31

32 L équipe «Atomes froids» à l INLN Historique: - L équipe a été fondée en 1997 à l INLN par Robin Kaiser et Christian Miniatura. - Guillaume Labeyrie et David Wilkowski les ont rejoint en C. Miniatura et D. Wilkowski ont quitté l équipe (2006 & 2009) pour aller à Singapour. - William Guerin a été recruté en octobre Mathilde Fouché a rejoint l équipe (mutation) en Anders Kastberg rejoindra l équipe en 2017 (fusion INLN-LPMC). Membres permanents: R. Kaiser, A. Kastberg, G. Labeyrie, M. Fouché, W. Guerin. Nice Physics Camp 2016 William Guerin 32

33 Expériences à l INLN Il y a 3 expériences d atomes froids à l INLN 1) Guillaume Labeyrie Condensation de Bose-Einstein + Optique non linéaire / optomécanique 2) Mathilde Fouché (+WG), Samir Kashanian, Aurélien Eloy Laser aléatoire à atomes froids 3) William Guerin, Michelle Araújo Diffusion coopérative de la lumière + Plusieurs projets avec des atomes chauds Actuellement, un post-doc: Antoine Dussaux Aujourd hui, équipe de 8 personnes à l INLN Nice Physics Camp 2016 William Guerin 33

34 Notre positionnement Les différents sous-domaines des atomes froids (résumé de la partie précédente): - Métrologie Horloges, senseurs inertiels (gyromètres, accéléromètres, gravimètres), spectroscopie... - Gaz quantiques (bosons & fermions) Thermodynamique, superfluidité, simulation de la physique du solide. - Systèmes hybrides - Optique quantique (mémoire quantique,...) On est aussi un peu là et là. - Optique atomique Ondes de matière, laser à atomes, interférométrie atomique - Physique few body, physique moléculaire, chimie quantique - Milieu optique étrange lumière lente, optique non linéaire, diffusion multiple, diffusion coopérative... A l INLN, on est principalement là. La majorité de ce qu on fait n est PAS dans les sujets à la mode / le courant majoritaire de la communauté. Nice Physics Camp 2016 William Guerin 34

35 Notre niche Effets collectifs dans l interaction atomes-lumière Effets collectifs: un photon sur un atome un photon sur N atomes Nouvelle physique! Par exemple: la diffusion multiple Les atomes sont des bons diffuseurs, et on peut en avoir beaucoup (grande épaisseur optique) diffusion multiple Nice Physics Camp 2016 Brouillard atomes froids??? Lien physique atomique - mésoscopie William Guerin 35

36 Diffusion multiple I in PM I sc e - t/ 0 0 t 0 t probe beam L cold atoms La lumière reste piégée dans le nuage par la diffusion multiple. Piégeage de radiation Nice Physics Camp 2016 William Guerin 36

37 Interférence en diffusion multiple Direction quelconque: interférence aléatoire Chemins réciproques (vers l arrière): interférences toujours constructives (même si les diffuseurs bougent) I 0 k in k out r in r out Cône de rétrodiffusion cohérente La diffusion par des atomes froids est cohérente! L étude du contraste du cône permet de quantifier la cohérence. plein d expériences ( ) Nice Physics Camp 2016 William Guerin 37

38 Diffusion multiple + gain Le atomes peuvent aussi amplifier la lumière (émission stimulée). Laser standard, avec cavité (2008) Laser aléatoire, avec diffusion (pas facile) (2013) Existe naturellement dans l espace??? Nice Physics Camp 2016 William Guerin 38

39 Diffusion coopérative Effets collectifs même en diffusion simple (loin de résonance)! Emission spontanée par un ensemble d atomes: superradiance et sous-radiance. Première observation claire de la sous-radiance, 60 ans après sa prédiction! (2016) Nice Physics Camp 2016 William Guerin 39

40 Et aussi dans les atomes chauds... Plusieurs projets sur les atomes chauds (manips + simples). Nouvel ingrédient: effet Doppler. Peut créer des trucs bizarres (vols de Lévy, 2009) Actuellement en cours: - Polarisation de la lumière diffusée (collaboration avec Marianne Faurobert, OCA). - Corrélation d intensité de la lumière diffusée et application à l astronomie (collaboration avec le LPMC et l OCA) Nice Physics Camp 2016 William Guerin 40

41 Pour en savoir plus... Bill Phillips (Nobel 1997): Time, Einstein, and the Coolest Stuff in the Universe, Super conférence de vulgarisation, visible sur YouTube. Visitez la page web de l équipe «atomes froids» sur : Pour plus tard: Cours atomes froids, Robin Kaiser, M2 UNS. Venez visiter le labo! Et venez en stage! 41