Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg

Présentation au sujet: "Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg"— Transcription de la présentation:

1 Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg
Thèse de Doctorat Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg Nouvelle expérience au laboratoire Aimé Cotton Thèse en cotutelle avec l’Université d’Hanovre (IQO, Décélération Stark de SO2) 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
Degrés de liberté internes et externes froids Externe: lié à la distribution en vitesse du gaz Interne: peu d’états peuplés 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, Hinds YbF) 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 T visées Sub K

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≈ g Pression de radiation lors du refroidissement laser g

9 Décélération Stark SO2 dans Xe Ei ≈ 218 cm-1 ∆E=0.78 cm-1/étage
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) Etat électronique très excité
Champ d’Inglis-Teller Na Etat électronique très excité Pour l’atome d’hydrogène, les niveaux d’énergie d’un électron dans un état de Rydberg est donné 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 Décélérateur Stark-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 Durée de vie des états de plus grand moment orbital: n5 Transition avec le sodium 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 Production du jet Expériences Pulsé supersonique
P≈10-8mbar

16 Montage expérimental Détection par fluorescence induite par laser
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 S23=0.7 S22=0.25 S21=0.05 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 ~ 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 Paires d’atomes Atomes suivent adiabatiquement les états Stark Paires d’atomes dans le jet en interactions: étude pour des configurations particulières (Transitions LZ) Exemple de 48s+48s Collisions Résonantes Transfert excitation

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

25 Manipulation des états de Rydberg

26 Séquence expérimentale
1 cm Excitation Ionisation ns δt np τ Excitation P3

27 Mise en évidence expérimentale
2 passages à Chaque point correspond à 1000 mesures Un barre d’erreur correspond à la dispersion de 10 de ces mesures Durée de l’impulsion 1.2µs Paires quasi-gelées Gallagher et al. PRA (1982) Collisions résonantes Transitions Landau-Zener

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
2 passages à Chaque point correspond à 1000 mesures Un barre d’erreur correspond à la dispersion de 10 de ces mesures Durée de l’impulsion 1.2µs Paires quasi-gelées Gallagher et al. PRA (1982) Collisions résonantes Transitions Landau-Zener

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

31 Influence de la durée de l’impulsion
δt

32 Influence de la vitesse de passage
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 décélérateur Stark-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 Paramètres ajustables: état de Rydberg, V, t0, τ
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 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
Excitation P2 P4 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 !

48 Effet de la pression Énergie du laser d’ablation: 0.6 mJ/pulse

49 Étude de l’énergie du laser d’ablation
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 Gallagher et al. PRA (1982) Na Jet thermique (300K) Collisions binaires

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