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 Collisions froides entre atomes et molécules dans un piège dipolaire

Collisions et interactions froides :.  Collisions froides entre atomes et molécules dans un piège dipolaire Dynamique de l’interaction dipôle-dipôle dans un gaz de Rydberg froid. Nassim ZAHZAM, Thibault VOGT, Marcel Müdrich, Daniel COMPARAT, Pierre PILLET.

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 Collisions froides entre atomes et molécules dans un piège dipolaire

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Presentation Transcript

  1. Collisions et interactions froides : •  Collisions froides entre atomes et molécules dans un • piège dipolaire • Dynamique de l’interaction dipôle-dipôle dans un gaz de Rydberg froid Nassim ZAHZAM, Thibault VOGT, Marcel Müdrich, Daniel COMPARAT, Pierre PILLET Séminaire interne LKB 03/02/2006

  2. Collisions froides entre atomes et molécules dans un piège dipolaire

  3. Piégeage de molécules froides Motivations  Obtenir un échantillon de molécules froides  Etudes collisionnelles sur le césium : Interactions molécule-atome, molécule-molécule  Validation de modèles théoriques  Refroidissement évaporatif moléculaire  BEC moléculaire  Nécessité d’un piège mixte atomique et moléculaire Piège magnétique (2002 au LAC) : - Piégeage uniquement de molécules avec un moment magnétique (potentiel triplet pour Cs2) - Densité de particules trop faible pour étudier les collisions inélastiques • Piège dipolaire CO2 : - Piégeage indépendamment de l’état interne des particules - Densité deux ordres de grandeurs plus élevée que dans un piège magnétique

  4. ~ 850 nm Laser CO2 de forte puissance (~ 110 W) très désaccordé vers le rouge des transitions énergétiques : lCO2(~ 10,6 μm) >> lat(~ 0,85 μm) Potentiel de piégeage : 5 - Photoionisation et détection  Particules attirées vers les régions de forte intensité Généralisable à toute particule polarisable 2 αstat(Cs) ~ αstat(Cs2) E Piège conservatif pour Cs et Cs2 Principe de l’expérience Laser TiSa (PA) 1 - Piège Magnéto-Optique Laser Pulsé (PI) Lasers repompeurs non conservatif, non applicable au piégeage de molécules 2 - Piège dipolaire atomique 3 - Photoassociation et formation de molécules froides 4 - Piège dipolaire atomique et moléculaire Cs Cs2+ Cs+ 4’ - Piège dipolaire purement moléculaire Galettes microcanaux Lasers MOT Laser CO2 (piège dipolaire)

  5. Caractéristiques du piège dipolaire CO2 Piège dipolaire moléculaire : • Profondeur ~ 1,5 mK • Fréquences : 840Hz / 24Hz • Nmol ~ 104 • Tmol ~ 40 μK Décalage Stark Dn des raies de PA dans le piège dipolaire : 6p3/2 Piège dipolaire atomique : • Profondeur ~ 0,9 mK • Fréquences : 890Hz / 25Hz • Nat ~ 3.105 • Tat ~ 40 μK hn0 - hn’0=hDn 6s1/2  Puissance ~ 110 W Waist ? Waist ~ 84 μm  Analyse des raies de PA dans le piège dipolaire atomique  Waist~ 84 μm + Ajustement des raies de PA : Tat~ 40 µK dans le piège

  6. f=4 6s EHF = kB x 440 mK f=3 Atomes f=3 stables vis-à-vis des collisions binaires inélastiques :  Décroissance exponentielle Atomes f=4 instables vis-à-vis des collisions binaires inélastiques avec changement de structure hyperfine :  Décroissance non exponentielle -1 Densité atomique initiale ~ 4.1011 at/cm-3 Durée de vie atomique due au gaz résiduel : ~ 2,7 s  Piège dipolaire d’atomes Cs Durée de vie du piège atomique:

  7. Atomes f=3 Molécules seules Molécules + atomes Piège dipolaire de molécules Cs2 Evolution du nombre de particules dans le piège : Mise en évidence de collisions inélastiques molécule-atome

  8. Durée de vie mol. (ms) Nbr. d’atomes (x105) Piège dipolaire de molécules Cs2Taux de collisions inélastiques Molécule-Atome Evolution du nombre de molécules dans un piège mixte :  Taux de collisions inélastiques molécule-atome ~ 2,6 x 10-11 cm3/s Taux élevé, proche du taux atome-atome BEC moléculaire instable

  9. PA vers v’=6 Og-(p3/2)→ v=33-47 du triplet  PA vers v’=103 Og-(p3/2)→ v=7-9 du triplet  PA vers Ou+(p1/2)→ v ~ 132 du singulet Nombre de molécules Taux de collisions ~ identiques - Désaccord avec les travaux théoriques ? - En accord avec les résultats expérimentaux obtenus dans le groupe de M. Weidemüller Temps de piégeage (ms) Piège dipolaire de molécules Cs2Collisions en fonction de l’état interne moléculaire (v,J) Etudes théoriques  taux de collisions décroient lorsque le niveau vibrationnel des molécules piégées diminue Etude en changeant l’état photoassocié (v’,J’)  état de la molécule piégée différent Piège : molécules + atomes

  10. Atomes f=3 Molécules seules Piège dipolaire de molécules Cs2Durée de vie d’un piège purement moléculaire  Collisions inélastiques molécule-molécule : Estimation du taux de collisions ~ 10-11 cm3/s Incompatible avec l’obtention d’un BEC moléculaire stable Néanmoins nombre de molécules trop faible pour limiter appréciablement la durée de vie du piège moléculaire  Collisions molécule-gaz chaud :  durée de vie limitée par le gaz résiduel Comparaison avec piège magnétique moléculaire Pas d’influence du CO2 sur sur la durée de vie moléculaire

  11. Formation de molécules dans l’état (v=0,J=0) : PA Raman, impulsions façonnées  Taux de collisions inélastiques molécule-atome (= 2,6 x 10-11 cm3/s ) et molécule-molécule (= 1,0 (5) x 10-11 cm3/s ) très élevés  Détermination de la durée de vie de l’état triplet de plus basse énergie • Détection : Photoionisation moléculaire à 1 photon  augmentation de l’efficacité de détection Perspectives : Solutions théoriques proposées : diminuer l’énergie interne des molécules froides piégées Piège dipolaire de molécules Cs2Conclusions et perspectives Nature bosonique de l’atome de césium :  taux de collisions inélastiques très élevés  Echec de BEC moléculaires à partir de bosons (Na, Rb, Cs) Atomes fermioniques (40K,6Li) :  Taux de collisions deux ordres de grandeur inférieurs  BEC moléculaires avec durées de vie jusqu’à 10 s  Section efficace de collisions avec le gaz résiduel 4 fois plus importante pour des molécules froides que pour des atomes froids • Taux de collisions semblent indépendants des niveaux moléculaires étudiés  Solution : molécules (v=0, J=0) → Collisions inélastiques énergétiquement interdites

  12. Dynamique de l’interaction dipôle-dipôle dans un gaz de Rydberg froid

  13. Atomes de Rydberg Atomes avec électron très éloigné (n >20) :  Taille énorme  2 n2 a0~ 0,1 μm (n=30)  Dipôle électrique important  n2 qea0~ 1000 D  Fortes interactions  Temps de cohérence long  Durée de vie longue  n3~ 20 μs  Champ d’ionisation faible  n-4 ~ 200 V/cm  Facile à détecter

  14. Atomes de Rydberg Blocage dipolaire Porte de phase Intérêts et applications Transition Rydberg ↔ plasma Etats exotiques de la matière Molécules de Rydberg (trilobite) Astrophysique Information quantique Chaos quantique

  15. Rydberg chauds vs Rydberg froids  Haute température (~ 300 K) : v • Temps entre 2 collisions (10 ns) << Durée de vie (20 μs) • Eint << Ec • Système décrit par des collisions binaires  Basse température (~ 100 μK) : • Temps entre 2 collisions (600 μs) >> Durée de vie (20 μs) • - Eint(~ 15 MHz)> Ec (~ 2 MHz) • Interactions statiques à N corps Vision d’un gaz de Rydberg gelé en interaction Jusqu’à quel point …

  16. Interaction dipôle-dipôle Vdd Transfert résonant d’énergie pour ε = εres : Création d’une superposition cohérente de 2 états à 2 atomes : 2 Enp(εres ) = Ens (εres) + E(n+1)s (εres) |+|np,np + |ns,(n+1)s |-|np,np - |ns,(n+1)s np ns np (n+1)s Transfert par interaction dipôle-dipôleVdd: np + np↔ ns + (n+1)s Transfert résonant d’énergie Diagramme Stark : Energie E(n+1)s(ε) Enp(ε) Ens(ε) εres Champ électrique εres

  17. Utilisation d’un laser Ti:Sa continu de largeur spectrale 1 MHz + Laser à colorant pulsé large bande (2 GHz) Spectrosocopie haute résolution But :  Résoudre spectroscopiquement l’interaction dipôle-dipôle  Etude de la dynamique de cohérence de l’interaction Vdd~ 10 MHz Il faut une spectroscopie haute résolution pour sonder le gaz de Rydberg en interaction Mise au point de deux schémas de spectroscopie pour sonder les interactions entre atomes de Rydberg

  18. Schéma Continu-Continu • Grande efficacité de dépompage • Nombre d’atomes excités réduit Schéma Pulsé-Continu - Excitation d’un grand nombre d’atomes - Efficacité de dépompage réduite Spectrosocopie haute résolution Deux schémas : spectroscopie de dépompage 1er schéma : 2eme schéma :

  19. Laser Ti:Sa Galettes Micro-canaux Laser pulsé Spectrosocopie haute résolution Dispositif expérimental : Piège Magnéto-Optique : ~ 107 atomes densité ~ 1010 cm-3 température ~ 100 μK Atomes de Rydberg : densité ≤ 109 cm-3 T ~ 100 μK

  20. ε=43,93 V/cm ε < εres ε > εres ε=44,13 V/cm Dépompage des atomes p et s Réaction de transfert résonant considérée : 25p + 25p ↔ 26s + 25s avec εres = 44,03 V/cm Dépompage des états p d’un gaz de Rydberg s et p : Rydberg s également dépompés Décalage de la raie de dépompage du signal s par rapport à celle du signal p Rydberg s retransformés en p puis dépompés Oscillation cohérente entre les états s et p : |ψ|25p,25p±|25s,26s

  21.  Cohérence de l’interaction préservée pour l’état répulsif + + - -  Dépompage de l’état attractif non détecté :  collisions avec changement des états atomiques (non détectés) 25p,25p 25s,26s Cohérence du couplage dipolaire Etat répulsif vs état attractif Etude du décalage de la raie de dépompage du signal s en fonction du champ électrique : Pendant combien de temps ?  Mesure directe du couplage dipolaire responsable du croisement évité : Vdd~ 15 MHz Vth ~ 0,5 MHz  effets à N corps

  22. Décohérence du couplage à l’échelle de la microseconde Cohérence du couplage dipolaire Perte de cohérence  Effet à N Corps : Migration d’excitation Signal s (sans dépompage) Signal s

  23. Effet à N corps Migration d’excitation Deux types de réactions dipolaires possibles : (T)  Transfert résonant d’énergie : (Résonante pour un champ électrique particulier) (M) p + p → s + s’ (T) (M)  Migration d’excitation : (Toujours résonante) (T) p + s → s + p p + s’ → s + p (M) (M) • Les produits de réactions s et s’ sont évacués et ne peuvent plus être dépompés : source de décohérence

  24. Mise en évidence du mouvement induit par les forces dipolaires : - Collisions ionisantes ? - l-mixing ? Atomes dans l’état attractif  gaz de Rydberg gelé VS gaz de dipôles Conclusion • Caractérisation de la cohérence d’une paire d’atomes en interaction dans un ensemble d’atomes de Rydberg froids • Etude de la dynamique de cohérence pour des atomes en interaction répulsive : - Cohérence préservée sur ~ 1 μs - Décohérence induite par les effets à N-corps (migration d’excitation) • Difficultés quant à l’utilisation d’atomes de Rydberg pour l’information quantique : mouvement induit + effets à N corps

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