Condensats de Bose-Einstein et Lasers à atomes

1. Soutenance de thèse de doctorat, 13 décembre 2002 Condensats de Bose-EinsteinetLasers à atomes Y. Le Coq

2. Plan de l’exposé Introduction A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe d’un laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence d’un laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu

3. Plan de l’exposé Introduction A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe d’un laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence d’un laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu

4. Condensation de Bose-Einstein :Principe

5. Réalisation expérimentale :pré-refroidissement laser

6. Montage expérimental • Atome : 87Rb • Niveau Zeeman :F = 1, mF = -1 • Ioffe-Pritchard trap created by an iron-core electromagnet: 1 kG/cm gradient 54 G bias100 W power • Typically 3x105 atoms in condensate Ralent. PMO Mélasse Charg. Piège Mag. CBE! Evap. Compression piège Laser atomique Coupure piège & Image

7. Réalisation expérimentale :refroidissement évaporatif

8. Le laser à atomes : parallèle avec le laser à photons Énergie Position État interne piégé Position

9. Le laser à atomes : parallèle avec le laser à photons Énergie Position État interne non piégé g État interne piégé Position

10. Réalisation pratique Resonant RF BEC Atom Laser Energy zsag Position BEC |F=1, mF=-1> BEC |F=1, mF=0> Magneticequipot. y x z

11. Précautions à prendre • Atome : 87Rb • Niveau Zeeman :F = 1, mF = -1 • Ioffe-Pritchard trap created by an iron-core electromagnet: 1 kG/cm gradient 54 G bias100 W power • Typically 3x105 atoms in condensate Ralent. PMO Mélasse Charg. Piège Mag. CBE! Evap. Compression piège Laser atomique Coupure piège & Image

12. Plan de l’exposé Introduction A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe d’un laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence d’un laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu

13. Experimental results : Divergence of an atom laser BEC BEC BEC BEC BEC BEC N.B.: Absorption imaging (vertical), after turn-off of the magnetic field, and Stern-Gerlach separation.

14. Limitation de flux For output coupler on the edges of the condensate => Flux -> 0 Flux (au) Hence, Sensitivity of imaging imposes data set range -5 0 5 Outcoupler detuning (kHz)

15. Causes possibles de divergence Diffraction (quantum pressure expansion) Interactions inside laser Interactions laser/BEC Quadratic Zeeman effect Low density -> negligeable Atom expeled see repulsive potential due to mean field |F=1, mF=0> sees a second order Zeeman effect (quadratic potential due to strong gradiants)

16. Matrices ABCD : Le cas optique (habituel) • ABCD matricesfor light rays • Free propagation : • Lenses : quadratic potentiel terms ; thin lens : • Application to gaussian beams • Transformation law for gaussian beams

17. Matrices ABCD :Adaptation aux lasers atomiques 3. 1. 2. BEC Interactions with the condensate => thin lens Quadratic Zeeman effect => thick lens laser Time of flight => Free space propagation

18. Le condensat : une lentille mince pour le laser z0 laser f x Laser crosses condensate and feels mean-field potential x z We ignore the transverse motion (thin lens approximation) and integrate phase along z, paramerterizing z by time: Near x=0, the phase is quadratic, as for a lens, hence one can define its power c(z0)

19. Comparaison expérience/théorie Théorie ABCD 30 Théorie ABCD sans effets des interactions (diffraction seule) 20 Divergence (mrad) Données expérimentales 10 0 -5 0 5 Fréquence du coupleur (kHz) (N.B. : pas de paramètres ajustables)

20. Plan de l’exposé Introduction A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe d’un laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence d’un laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu

21. Quand les atomes interfèrent : multi-lasers atomiques (principe) (E) BEC Battement spatial+ temporel visible si Constants pendant l’expérience (z) zE1 zE2

22. Lasers à atomes à phases bloquées : lasers pulsés BEC Laser multi-modes à phases bloquées =laser pulsé FM 600 Hz Peigne de fréquences à phases relatives contrôlées, généré par FM ou bien AM FM 200 Hz FM 2 kHz

23. Théorie

24. Plan de l’exposé Introduction A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe d’un laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence d’un laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu

25. Conclusion • Creation of astablequasi-continuous atom laserin aniron-core electro-magnet, in spite of high bias field(54 gauss ± 1mG). • Studies of propagation of transverse mode of an atom laser.Importance of interactions (in stark contrast with optics). • ABCD matricestreatment is adaptable to atom lasers (and very usefull) • Strong parallel between atom laser and photon lasers

26. Nouveau dispositif expérimental

27. Remerciements