Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg

1. Thèse de Doctorat Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg Nicolas SAQUET Mercredi 16 Décembre 2009

2. Plan • Molécules froides : motivations • Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg • Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg • Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats

3. Plan • Molécules froides : motivations • Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg • Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg • Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats

4. Intérêt des molécules froides Interne: peu d’états peuplés Externe: lié à la distribution en vitesse du gaz • Degrés de liberté internes et externes froids • Mesures très précises: • Spectroscopie de haute résolution (Meijer ND3) • Durée de vie (Meijer OH) Test de physique fondamentale: • Variation de constantes fondamentales avec le temps (Ye OH) • Moment dipolaire électrique de l’électron (DeMille PbO, HindsYbF) • Interaction dipôle-dipôle (Jin KRb) • Nouveaux systèmes • Applications à l’information quantique, … • Chimie froide: • collisions à basse énergie (van de Meerakker OH) • contrôle de la dissociation avec un champ extérieur

5. Produire des molécules froides • À partir d’atomes froids (T < 100 µK) diatomiques homonucléaires et hétéronucléaires • Refroidissement sympathique (T < 1K) molécules paramagnétiques • Filtre en vitesse (T~1K) molécules polaires • Décélération d’un jet supersonique pulsé (T < 1K)

6. Jet supersonique Ø D Distribution thermique Jet supersonique Caractérisation: vitesse moyenne, températures transverse et longitudinale

7. Décélération d’un jet supersonique • Décélérateur Stark (espèces polaires dans des gradients de champ électrique): Meijer (OH,NH,ND3,CO),Tiemann (SO2), Hind (YbF,CaF), Ye (OH) • Décélérateur Stark optique: Barker (C6H6) • Décélérateur Zeeman: Merkt (H,D), Raizen (Ne*,O2) • Décélérateur Stark pour espèces dans un état de Rydberg: Merkt (Ar,H,H2)

8. Décélération Stark pour espèce polaire Effet Stark: SO2: =1.6 Debye Force exercée par un champ électrique inhomogène f/m≈ 105-106 g Pression de radiation lors du refroidissement laser 103-104g

9. Décélération Stark SO2 dans Xe 2mm Ei≈ 218 cm-1 5.5mm ∆E=0.78 cm-1/étage HV=10kV, =400ns 326 étages, L=1.8 m Moment dipolaire d’une molécule polaire  quelques Debye

10. Etats de Rydberg (I) Champ d’Inglis-Teller • Na Etatélectroniquetrèsexcité Pour l’atomed’hydrogène, les niveauxd’énergie d’un électrondans un état de Rydbergestdonné par: Particule en champ nul Particule en champ électrique k varie par pas de 2 Effet Stark Moment dipolaire ≈1000 Debye pour n=18

11. Etats de Rydberg (II) Intérêt d’utiliser les états de Rydberg pour la décélération Stark Compromis entre le moment dipolaire et le champ électrique d’Inglis-Teller Grande sensibilité au champ électrique Versatile: atomes et molécules

12. DécélérateurStark-Rydberg Force exercée par un champ électrique inhomogène sur un dipôle Moment dipolaire électrique d’un atome de Rydberg: ≈1000 Debye pour n=18 Champs électriques plus faibles et façonnables temporellement Décélération en continu Vanhaecke et al. J. Phys. B 38 S409 • Limites: • Mélange d’états (Champ d’Inglis-Teller) • Durée de vie des états

13. Plan • Molécules froides : motivations • Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg • Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg • Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats

14. Réalisation du montage expérimental 2007 2009

15. L’expérience Expériences Production du jet Pulsé supersonique P≈10-8mbar

16. Montage expérimental Laser à colorant continu 589 nm Détection par fluorescence induite par laser Cible de sodium en rotation 15 cm Vanne pulsée (10-50 Hz) Pression du gaz porteur ~1-10 bar 10 cm Zones de détection Laser d’ablation Nd:YAG 532nm 1.0mJ/pulse

17. Temps de vol des atomes de sodium Mesure dans la première zone d’interaction Pression du gaz porteur: 3 bars

18. Température longitudinale Mesure dans la première zone d’interaction Gaz porteur: Argon Pression: 6 bars 10 K 60 m/s

19. Température transverse Mesure dans la seconde zone d’interaction par effet Doppler Structure hyperfine Δν(F=0,F=3)≈ 108 MHz 100 MHz Gaz porteur: Argon Pression: 6 bars

20. Caractérisation du jet • Etude et optimisation du jet avec la pression du gaz porteur et l’énergie du laser d’ablation • Effet de chauffage lors de l’ablation • Argon ( v ~ 650 m/s) • Température longitudinale ~5K • Température transverse ~1K • Densité ~ 5.108 atomes/cm3 estimée à partir du signal de fluorescence

21. Excitation vers un état de Rydberg Détection sélective des états de Rydberg par impulsion de champ électrique ionisante

22. Plan • Molécules froides : motivations • Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg • Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg • Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats

23. Atome isolé et paires d’atomes de Rydberg en champ électrique Na Suivi adiabatique 1 état de Rydberg Vliegen et al. PRL 92 033005 Paires d’atomes

24. Croisement évité pour une paire d’atomes Na Passage adiabatique si:

25. Manipulation des états de Rydberg

26. Séquence expérimentale P3 P1 P2 P4 1 cm Excitation Ionisation ns np δt τ P3 Excitation

27. Mise en évidence expérimentale n=48 2 passages à Paires quasi-gelées Collisions résonantes Transitions Landau-Zener Gallagher et al. PRA 25 1905 (1982)

28. Modèle Landau-Zener Distribution uniforme des atomes de Rydberg dans le nuage Atomes ayant un plus proche voisin Proportion varie en

29. Mise en évidence expérimentale n=48 2 passages à Paires quasi-gelées Gallagher et al. PRA 25 1905 (1982) Collisions résonantes Transitions Landau-Zener

30. Autres résonances 7% des atomes ont un plus proche voisin à moins de r0 4% des atomes ont un plus proche voisin à moins de r0

31. Influence de la durée de l’impulsion n=48 δt

32. Influence de la vitesse de passage n=48 Proportion d’atomes ayant un plus proche voisin à moins de r0 Dépendance en Bon accord théorie-expérience

33. Conclusions sur les transitions Landau-Zener • Mise en évidence de transitions adiabatiques pour des paires quasi-gelées • Efficacité des transitions dépend de la distance entres atomes plus proches voisins et de la vitesse de passage • Perspectives: Interférométrie, intrication • Pour n~15-20 très peu de transitions • Ne devrait pas perturber la décélération

34. Plan • Molécules froides : motivations • Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg • Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg • Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats

35. Principe du décélérateurStark-Rydberg Force exercée par un champ électrique inhomogène sur un dipôle ≈1000 Debye pour n=18 Champs électriques façonnables temporellement Décélération en continu

36. Prototype Grilles de détection

37. Modélisation Modélisation 3D sous Simion (v7.0) Champ sur l’axe du jet sinon V0=20V V=3000V t0=8.4µs après excitation τ=3.4µs sinon Atomes au-delà du champ d’Inglis-Teller: perdu pour la décélération Paramètres ajustables: état de Rydberg, V, t0, τ

38. Résultats des simulations pour une particule Vitesse initiale 300 m/s V0= 20V t0 ajusté de telle sorte que Optimisation en ajustant {V,t0,τ}

39. Résultats des simulations pour une particule V0= 20V et V=3000V t0 ajusté de telle sorte que • Influence de la vitesse initiale V0= 20V et V=3000V t0 ajusté de telle sorte que Vitesse initiale 300 m/s • Influence de l’état initial Efficacité du décélérateur dépend principalement de l’état de Rydberg excité

40. Vol d’un nuage d’atomes V= 3000 V t0=texcitation+ 8.4 µs V0= 20 V Vitesse initiale: 300 m/s Δv longitudinale: 15 m/s Δv transverse: 6 m/s Nette séparation entre les deux nuages d’atomes

41. Montage pour la première expérience

42. Expérience de décélération P3 P1 P2 P4 Excitation Ionisation Tensions appliquées 3000 V 0 V Temps

43. Décélération: première expérience 8 m/s 20d Xe 320 m/s Encourageant !

44. Conclusions sur la décélération • Simulations 3D réalistes • Processus très efficace: 50 cm-1 en 4 µs sur 3 mm • Décélération plus efficace pour n≈17-20 • Premières expériences encourageantes • Mise en œuvre du prototype prochaine

45. Conclusions • Réalisation et caractérisation d’un jet supersonique d’atomes de sodium • Excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg • Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes proches voisins dans le jet • Dessin et simulation d’un premier prototype de décélérateur • Première évidence de décélération

46. Perspectives • Tester la cohérence lors d’une transition Landau-Zener • Décélérateur avec plus d’électrodes mais compact pour arrêter les atomes de sodium • Détection, excitation et décélération d’autres espèces (Na2, NaH, O, …) • …

47. Merci !