De la condensation de Bose-Einstein à l’effet Hanbury Brown & Twiss de l’hélium métastable

1. De la condensation de Bose-Einsteinà l’effet Hanbury Brown & Twissde l’hélium métastable travail de thèse effectué au laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique

2. probabilité t Plan de l’exposé Le groupement de bosons • Présentation • Corrélation et indépendance • L’amplitude du groupement • Fonction de corrélation • Manifestation expérimentale • Comment mesurer le groupement ? • Expansion des nuages • Rôle du détecteur • Modifications du montage expérimental • Un nouveau détecteur • Modifications réalisées • Perspectives d’évolution

3. probabilité t Plan de l’exposé Le groupement de bosons • Présentation • Corrélation et indépendance • L’amplitude du groupement • Fonction de corrélation • Manifestation expérimentale • Comment mesurer le groupement ? • Expansion des nuages • Rôle du détecteur • Modifications du montage expérimental • Un nouveau détecteur • Modifications réalisées • Perspectives d’évolution

4. Le groupement de bosons Introduction Question : « Qu’est-ce qu’un boson ?  » C’est une particule de fonction d’onde symétrique. • Symétrie = échange de deux particules. Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule t secondes après une autre ? »

5. Le groupement de bosons Introduction • Expérience de type « Hanbury Brown & Twiss » Corréler les intensités source corrélation Davantage de corrélations quand les détecteurs sont « superposés »

6. Optique : • Optique atomique : Le groupement de bosons Le groupement : approche ondulatoire longueur de cohérence = taille des tavelures

7. Le groupement de bosons Le groupement : approche ondulatoire • Interprétation ondulatoire : tout s’explique • le « groupement » • la longueur de corrélation • Interprétation corpusculaire : • manifestation des interférences = groupement des photons • pas d’interaction

8. t3 t4 t t Le groupement de bosons Corrélation et indépendance • Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule t secondes après une autre ? » t1 t2 t t

9. t Le groupement de bosons Corrélation et indépendance • Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule t secondes après une autre ? » t1 t2 t3 t4 t t t t

10. t Le groupement de bosons Corrélation et indépendance • Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule t secondes après une autre ? » t1 t2 t3 t4 t t g(2)(t) 1

11. lcorr Le groupement de bosons Corrélation et indépendance • Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule t secondes après une autre ? »

12. Le groupement de bosons L’amplitude du groupement • Explication par la mécanique quantique • Toutes les amplitudes de probabilité s’additionnent (pour des bosons). • Les amplitudes interfèrent • On mesure des intensités (l’arrivée d’atomes). •  ceci donne des interférences

13. 1 2 a b 2   1 2 Le groupement de bosons L’amplitude du groupement

14. Le groupement de bosons Fonction de corrélation bosons « thermiques »

15. 1 2 a b 2   1 2 Le groupement de bosons L’amplitude du groupement

16. Le groupement de bosons Fonction de corrélation bosons « thermiques » condensat pur

17. Comptage d’atomes individuels • C’est une mesure de g(2) directe et sensible • Première expérience : Yasuda & Shimizu (96) Phys. Rev. Lett. 77, 3090 (1996) Le groupement de bosons Manifestation expérimentale • Manifestation du groupement • Collisions • Plus g(2)(0) augmente, plus il y a de collisions • condensationsuppression du groupementg(2) diminue • Sur des images en absorption • Corrélation sur le bruit des images Phys. Rev. Lett. 79, 337 (1997) Nature 434, 481 (2005)

18. Plan de l’exposé Le groupement de bosons • Présentation • Corrélation et indépendance • L’amplitude du groupement • Fonction de corrélation • Manifestation expérimentale • Comment mesurer le groupement ? • Expansion des nuages • Rôle du détecteur • Modifications du montage expérimental • Un nouveau détecteur • Modifications réalisées • Perspectives d’évolution

19. Le nuage d’atomes Le détecteur x,y,t Comment mesurer le groupement ? Le principe de la mesure : montage expérimental On enregistre les positions et les instants de chaque détection d’atome.

20. Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages • Questions ? • Expansion des nuages : • connaissances sur la densité • traduction sur g(2) ? • Rôle du détecteur • discrétisation • atténuation

21. p r t  lr  lr t m lp m lr ? Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages • Expansion • Propriétés du piège

22. Optique : • Optique atomique : champ lointain Le groupement de bosons Le groupement : approche optique • Approche optique •  pas de « groupement » •  longueur de cohérence (taille des tavelures)

23. Si oui, on connaît tous les moments G(2) densité • Conditions de validité ? Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages • Existe-t-il un changement d’échelle ?

24. Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages • Calcul sur la densité • Calcul valide pour un gaz parfait • Ou pour un gaz totalement condensé et très anisotrope

25. g(2)(t) discrétisation histogrammes pixellisation problème de résolution moyennage Longueur de corrélation : 31 m x 760 m x 250 s résolution > 30 m  chute du signal t Comment mesurer le groupement ? Rôle du détecteur • Discrétisation

26.  (mm) % K amplitude de signal en fonction de la température Longueur de corrélation : 31 m x 760 m x 250 s K résolution > 30 m  chute du signal Comment mesurer le groupement ? Rôle du détecteur

27. Conclusion g(2)(r) séparation entre deux détections : r (mm) Hanbury Brown Twiss Effect for Ultracold Quantum Gases Publié en ligne le 15 September 2005 dans Science Express Reports

28. Conclusion g(2)(r) séparation entre deux détections : r (mm) Hanbury Brown Twiss Effect for Ultracold Quantum Gases Publié en ligne le 15 September 2005 dans Science Express Reports

29. Plan de l’exposé Le groupement de bosons • Présentation • Corrélation et indépendance • L’amplitude du groupement • Fonction de corrélation • Manifestation expérimentale • Comment mesurer le groupement ? • Expansion des nuages • Rôle du détecteur • Modifications du montage expérimental • Un nouveau détecteur • Modifications réalisées • Perspectives d’évolution

30. Montage expérimental Un nouveau détecteur

31.  Perte de sensibilité 8 cm Montage expérimental Un nouveau détecteur

32. Fonctionnement d’une ligne à retard Longueur de corrélation : 31 m x 760 m x 250 s La résolution, c’est le temps de propagation  400 ps  500 m Montage expérimental Un nouveau détecteur • Quelle est sa résolution ?

33. accès optique détecteur d’ions détecteur 3D Montage expérimental Modifications réalisées

34. Perspectives d’évolution • Un détecteur tridimensionnel • mieux distinguer les nuages de formes différentes •  mieux repérer les faibles fractions condensées •  étude de la croissance du condensat •  mieux repérer la température de transition • (aussi avec les ions) • Un système de comptage • Collision de condensats • création de paires corrélées

35. Perspectives d’évolution • De nouveaux accès optiques • créer des potentiels de piégeage optique : réseaux • manipulation du nuage atomique : séparer et recombiner • Rôle des interactions • Prévoir leur influence sur g(2) • Cas des nuages 1D

36. L’équipe He* • Les anciens • Olivier Sirjean • Signe Seidelin • Le groupement de bosons • Jose Gomes • Rodolphe Hoppeler • Martijn Schellekens • Aurélien Perrin • Les nouveaux • Valentina Krachmalnicoff • Hong Chang • Les permanents • Alain Aspect • Chris Westbrook • Denis Boiron

37. FIN

38. Comment mesurer le groupement ? Rôle des interactions • Rôle des interactions sur g(2) (hors champ moyen) • dans le piège ? • après expansion ? • Les interactions dans le piège • influence aux courtes distances • simplification  modèle de sphère dure • l’effet sur g(2) est-il perturbatif ?

39. Comment mesurer le groupement ? Rôle des interactions • résultat dans le piège (pour un gaz thermique) effet dramatique • après expansion, l’effet est-il toujours présent ?

41. Montage expérimental Description du montage originel • Injecter l’hélium

42. Montage expérimental Description du montage originel • Exciter l’hélium

43. Montage expérimental Description du montage originel • Ralentir le jet atomique

44. PMO Montage expérimental Description du montage originel • Piéger les atomes

45. Montage expérimental Description du montage originel • Refroidir les atomes PM

46. Montage expérimental Description du montage originel • Caractéristiques fréquences d’oscillation : rad.s-1 rapport d’aspect  25 rad.s-1 nombre d’atomes : dans un nuage thermique : qqes 106 dans un condensat pur : qqes 105 température critique : de l’ordre de 1 K PM

47. Montage expérimental Modifications réalisées • Encombrement du détecteur

48. avant après Montage expérimental Modifications réalisées • Déplacer la table optique

50. Le groupement de bosons Symétrisation Interférences : qu’est-ce qui interfère ? Les amplitudes de probabilités. (ex: interféromètre de Michelson) • Principe de l’expérience de Hanbury Brown & Twiss Corréler les intensités • L’amplitude de probabilité est toujours bruitée • Le bruit n’est pas forcément corrélé aux fluctuations du signal • Notre expérience est sur le même principe. • On observe des intensités • (On symétrise quand même sur les amplitudes)