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D ÉCÉLÉRATEUR S TARK POUR ATOMES ET MOLÉCULES DE R YDBERG Nicolas SAQUET Mercredi 16 Décembre 2009 T HÈSE DE D OCTORAT.

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1 D ÉCÉLÉRATEUR S TARK POUR ATOMES ET MOLÉCULES DE R YDBERG Nicolas SAQUET Mercredi 16 Décembre 2009 T HÈSE DE D OCTORAT

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

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

4 Intérêt des molécules froides Mesures très précises: –Spectroscopie de haute résolution (Meijer ND 3 ) –Durée de vie (Meijer OH) Test de physique fondamentale: –Variation de constantes fondamentales avec le temps (Ye OH) –Moment dipolaire électrique de lélectron (DeMille PbO, Hinds YbF) Interaction dipôle-dipôle (Jin KRb) –Nouveaux systèmes –Applications à linformation quantique, … Chimie froide: –collisions à basse énergie (van de Meerakker OH) –contrôle de la dissociation avec un champ extérieur Degrés de liberté internes et externes froids Interne: peu détats peuplés Externe: lié à la distribution en vitesse du gaz

5 Produire des molécules froides À partir datomes froids (T < 100 µK) diatomiques homonucléaires et hétéronucléaires Refroidissement sympathique (T < 1K) molécules paramagnétiques Filtre en vitesse (T~1K) molécules polaires Décélération dun jet supersonique pulsé (T < 1K)

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

7 Décélération dun jet supersonique Décélérateur Stark (espèces polaires dans des gradients de champ électrique): Meijer (OH,NH,ND 3,CO),Tiemann (SO 2 ), Hind (YbF,CaF), Ye (OH) Décélérateur Stark optique: Barker (C 6 H 6 ) Décélérateur Zeeman: Merkt (H,D), Raizen (Ne*,O 2 ) Décélérateur Stark pour espèces dans un état de Rydberg: Merkt (Ar,H,H 2 )

8 Décélération Stark pour espèce polaire Effet Stark: SO 2 : =1.6 Debye Force exercée par un champ électrique inhomogène f/m g Pression de radiation lors du refroidissement laser g

9 Décélération Stark 326 étages, L=1.8 m 5.5mm 2mm Moment dipolaire dune molécule polaire quelques Debye SO 2 dans Xe E=0.78 cm -1 /étage HV=10kV, =400ns E i 218 cm -1

10 Etats de Rydberg (I) Etat électronique très excité Pour latome dhydrogène, les niveaux dénergie dun électron dans un état de Rydberg est donné par: Moment dipolaire 1000 Debye pour n=18 Particule en champ nul Particule en champ électrique Effet Stark k varie par pas de 2 Champ dInglis-Teller NaNa

11 Etats de Rydberg (II) Intérêt dutiliser les états de Rydberg pour la décélération Stark Versatile: atomes et moléculesGrande sensibilité au champ électrique Compromis entre le moment dipolaire et le champ électrique dInglis-Teller

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

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

14 Réalisation du montage expérimental

15 Lexpérience Expériences Production du jet Pulsé supersonique P10 -8 mbar

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

17 Temps de vol des atomes de sodium Mesure dans la première zone dinteraction Pression du gaz porteur: 3 bars

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

19 Température transverse Mesure dans la seconde zone dinteraction par effet Doppler Gaz porteur: ArgonPression: 6 bars 100 MHz Structure hyperfine Δν(F=0,F=3) 108 MHz

20 Caractérisation du jet Etude et optimisation du jet avec la pression du gaz porteur et lénergie du laser dablation Effet de chauffage lors de lablation Argon ( v ~ 650 m/s) Température longitudinale ~5K Température transverse ~1K Densité ~ atomes/cm 3 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 datomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires datomes de Rydberg Décélération datomes de sodium: premiers résultats

23 Atome isolé et paires datomes de Rydberg en champ électrique Na Vliegen et al. PRL Suivi adiabatique 1 état de Rydberg Paires datomes

24 Croisement évité pour une paire datomes Na Passage adiabatique si:

25 Manipulation des états de Rydberg

26 Séquence expérimentale P2P2 P1P1 P3P3 P4P4 ExcitationIonisation np ns 1 cm Excitation P3P3 δt τ

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

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

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

30 Autres résonances 4% des atomes ont un plus proche voisin à moins de r 0 7% des atomes ont un plus proche voisin à moins de r 0

31 Influence de la durée de limpulsion δt n=48

32 Influence de la vitesse de passage Bon accord théorie-expérience Proportion datomes ayant un plus proche voisin à moins de r 0 Dépendance en n=48

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 datomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires datomes de Rydberg Décélération datomes de sodium: premiers résultats

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

36 Prototype Grilles de détection

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

38 Résultats des simulations pour une particule Vitesse initiale 300 m/s V 0 = 20V t 0 ajusté de telle sorte que V 0 = 20V t 0 ajusté de telle sorte que Optimisation en ajustant {V,t 0,τ}

39 V 0 = 20V et V=3000V t 0 ajusté de telle sorte que V 0 = 20V et V=3000V t 0 ajusté de telle sorte que Résultats des simulations pour une particule Efficacité du décélérateur dépend principalement de létat de Rydberg excité Influence de la vitesse initiale Influence de létat initial V 0 = 20V et V=3000V t 0 ajusté de telle sorte que Vitesse initiale 300 m/s V 0 = 20V et V=3000V t 0 ajusté de telle sorte que Vitesse initiale 300 m/s

40 Vol dun nuage datomes V= 3000 V Δv transverse: 6 m/s Nette séparation entre les deux nuages datomes Vitesse initiale: 300 m/s Δv longitudinale: 15 m/s V 0 = 20 V t 0 =t excitation µs

41 Montage pour la première expérience

42 Expérience de décélération P2P2 P1P1 P3P3 P4P4 Excitation 0 V 3000 V Ionisation Tensions appliquées Temps

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

44 Conclusions sur la décélération Simulations 3D réalistes Processus très efficace: 50 cm -1 en 4 µs sur 3 mm Décélération plus efficace pour n17-20 Premières expériences encourageantes Mise en œuvre du prototype prochaine

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

46 Perspectives Tester la cohérence lors dune transition Landau-Zener Décélérateur avec plus délectrodes mais compact pour arrêter les atomes de sodium Détection, excitation et décélération dautres espèces (Na 2, NaH, O, …) …

47 Merci !

48 Effet de la pression Énergie du laser dablation: 0.6 mJ/pulse

49 Étude de lénergie du laser dablation Pression du gaz porteur: 6 bars

50 Excitation vers un état de Rydberg

51 Excitation à deux couleurs Détection sélective des états de Rydberg par impulsion de champ électrique ionisante

52 Carte Stark expérimentale

53 Interaction dipôle-dipôle 1) Collisions résonantes Jet thermique (300K) Collisions binaires Gallagher et al. PRA (1982) Na

54 Interaction dipôle-dipôle 2) Transfert résonant dexcitation Piège magnéto optique (100µK) N corps Mourachko et al. PRL (1998) Cs Gaz gelé


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