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Habilitation à Diriger des Recherches EXPERIENCES AVEC DES ATOMES DE RYDBERG ET DES MOLECULES ULTRA-FROIDS. Daniel Comparat e-e- Cs + F e-e- µ µ R.

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1 Habilitation à Diriger des Recherches EXPERIENCES AVEC DES ATOMES DE RYDBERG ET DES MOLECULES ULTRA-FROIDS. Daniel Comparat e-e- Cs + F e-e- µ µ R

2 1)Expériences concernant les atomes de Rydberg 1)Que faire avec des atomes de Rydberg froids ? 2)Contrôle des interactions dipolaires 3)Forces dipolaires 4)Plasma ultra-froids et applications 2)Expériences concernant les molécules froides et la photoassociation 1)Que faire avec des molécules froides ? 2)Spectroscopie de photoassociation 3)Détection efficace des molécules 4)Pompage optique et refroidissement de la vibration des molécules 5)Formation et piégeage de molécules froides 3)Projets futurs Plan Un dispositif (Cs MOT) deux expériences

3 Grande taille: ~ 2 n 2 a 0 ~ 1 μm (n=100) Grand moments dipolaires: µ ~ n 2 ea 0 ~ D (H 2 O – 2.6 D) Longue durée de vie: n 3 ~ 1 ms Facile à détecter E ion n -4 ~ 10 V/cm Pourquoi des atomes de Rydberg ? Dipôle-dipôle µµ/R 3 Rydberg (atome, molécule, …) = n grand ~ atome dhydrogène semi-classique MHz dipole-dipole Sin Cos B Rydberg µ µ Excitation contrôlée par linteraction dipolaire A R

4 Haute température: collisions binaires t coll << t vie ; E interaction << E cin Basse température: Effet à N-corps t coll >> t vie ; E interaction E cin 2 ms >> 10 μs; jusquà 100 MHz 2 MHz Pourquoi froids ? v Ensemble quantique datomes quasi immobiles en forte interaction. Système intermédiaire entre atomes, molécules, solide et plasmas

5 Gaz de Rydberg froids (exp + th) 1998 Interaction dipolaire dans un environnement datomes gelés (élargissement + diffusion ? ) Pillet (PRL ), Gallagher (PRL ) 1999 Forces dipolaires dynamique gaz non gelé ! Pillet (PRL ) 2000 Rydberg plasma 1999 Plasma ultra-froids: photo-ionisation (NIST) (PRL 83, 4776) Pillet + Gallagher (PRL ) Porte quantique utilisant linteraction dipolaire « dipole blockade » Lukin, Fleischhauer, Côté, Jaksch, Cirac, Zoller (PRL ) 2004 Van der Waals (2 nd ordre): blocage (saturation excitation) + spectroscopie (élargissement) Eyler Gould (PRL ) + Weidemüller (PRL ) Martin (PRL ) Blocage dipolaire(1 er ordre) (saturation de lexcitation) Pillet : dipole permanent (PRL ) + dipole de transition (Förster) (PRL ) 2007 Excitation collective cohérente+ spin-echo Pfau (PRL ) 2008 Oscillation de Rabi Weidemüller (NJP ) + (1 at) Saffman,Walker (PRL ) Blocage dipolaire (2 at) Saffman,Walker (arXiv ) + Browaeys (arXiv: ) Piégeage 3D datomes de Rydberg Merkt (PRL ) Molécules Pfau (arXiv: ) Superradiance (Gould), EIT (Adams), STIRAP (Raithel, Weidemüller), … Molécules (Côté, Greene)

6 Champ électrique: blocage de lexcitation 7s 300ns Ti:Sa e-e- Cs + F e-e- µ µ R Vogt et al. PRL (2006) np (n+1)s ns np V dd(ps) np + np ns + (n+1)s V dd(pp) V dd R 3 laser n Ryd laser / Dipôle de transition (Förster, np milieu ns (n+1)s ) Vogt et al. PRL (2007) Dipôle permanent

7 2 atomes piégés: blocage de lexcitation P(1 at | 1at) P(1 at | 2at) Broawaeys, Grangier Rb(58d) A. Gaëtan et al. arXiv:

8 Equation de taux -> Méthode de Monte Carlo cinétique (Exacte et plus rapide que Monte Carlo classique) i k Modélisation du blocage dipolaire Domination de linteraction entre plus proche voisins 6s 80p A. Chotia et al. NJP 10, (2008) Interaction entre toutes les paires : i Laser k 2 (1-3 Cos 2 ik )/R ik 3

9 n=70 Monte Carlo sans ion avec dipôle-dipôle Monte Carlo avec ionisation corps-noir (*50) sans dipôle-dipôle Monte Carlo sans ion sans dipôle-dipôle Effet des ions Dynamique à N-corps (LeapFrog-Verlet-Störmer-Delambre Runge-Kutta)

10 Etude en champ électrique M. Mudrich et al. PRL (2005) Contrôle de lénergie des ions ? Ionisation controllée Etude en champ électrique nul M. Viteau et al. PRA (2008) Collisions Rydberg/Rydberg Ionisation Penning Formation d'un plasma ultra-froids Collisions Rydberg/atomes Corps-noir ? n=39,40,41 np ns (n+1)s ss pp E R n=43,44,45 ns (n+1)s np

11 Température [K] Densité [m] Nébuleuses Couronne solaire Foudre FlammesAurores ITER 10 1 Intérieur du soleil plasmas neutres ultra -froids Plasmas corrélés Γ1 Ecran plasma Espace interstellaire Magnétosphère Plasmas cinétiques Γ= E pot /E cin <1 confinements: magnétique, inertiel, gravitationnel L aser M éga J oule Plasmas ultra-froids (non ultra-froids) Atome de Rydberg Néon Laser Naines brunes Ions piégés dusty

12 Plasma ultra-froidAmas globulaire F= (-G M 2 )/ r 2 F= (q e 2 / 4 0 )/r 2 Même équation de Boltzmann (Vlasov) : électrons (piégés par les ions) étoiles Maxwellienne abaissée à léquilibre (Kramers-Michie-King) f (E) ~ e -E/kT -e -E0/kT Mêmes lois (taux) collisionnelles: dissociation des binaires (Rydberg) si E liaison > 4 k B T Analogie avec les amas globulaires (1957) D. Comparat et al. MNRAS 361, 1227 (2005)

13 Refroidissement par (anti-)recombinaison à 3 corps ? Atome de Rydberg Les Rydberg: des glaçons pour les électrons ? Collaboration avec Dresde: Rost, Pattard, Pohl Plasma seul Plasma + n=36 Plasma + n=31 Plasma + n=26 Expérience (Ionisation dans un plasma)Théorie N. Vanhaecke et al. PRA (2005) T. Pohl et al. EPJD (2006) électron ~ 1 Fraction des atomes restant Nb dions dans le plasma

14 Plasmas ultra-froids faisceaux dions (électrons) Travaux futurs (Focussed Ion(e - ) Beam: FIB) 1) Orsay Physics, thèse CIFRE (Leila Kime) : FIB a) Jet dions monocinétique de césium de basse énergie microanalyseur ionique secondaire (SIMS). b) Plasma ultra-froid de gaz rare FIB non contaminante 2) Laboratoire de Physique des Solides (Ch. Colliex + A. Gloter ) Jet délectrons monocinétiques (500pA/0.1nm/0.1 eV) Faible dispersion en énergie propriétés optiques. Problèmes étudiés actuellement: Taille de la source de départ (inhomogénéité + aberrations) Effets coulombiens (long temps dinteractions) Luiten & Vredenbregt Physics of Plasmas (2007) McClelland Nano Lett., (2008) Réduction de la dispersion en énergie (<0.1 eV contre 1eV) basse énergie + éventuellement petites sondes Nouvelles sources non contaminantes (Ga actuellement)

15 Travaux futurs (antihydrogen) 2002 CERN ATRAP (Antihydrogen Trap) + ATHENA (AnTiHydrogEN Apparatus) Production dantihydrogène (antiprotons + 2 positrons) 2006 Projet AEGIS (Antimatter Experiment : Gravity, Interferometry, Spectroscopy) 1) Former par échange de charge 2) Stark-accélérer les anti Rydberg pour mesurer la chute 3) Mesure de gravité avec de lantimatière ( violation CPT) A. Kellerbauer et al. NIMB (2008) 1)Excitation Ps= (e + e - ) F. Castelli et al. PRA accepté 2) Champ magn. et acc. Stark ? 3) Désexcitation des Rydberg. 4) Projet (Louis Cabaret) Refroidissement laser à 121nm (source quasicontinue très intense) Approbation de principe par le CERN

16 AEGIS

17 1)Expériences concernant les atomes de Rydberg 1)Que faire avec des atomes de Rydberg froids ? 2)Contrôle des interactions dipolaires 3)Forces dipolaires 4)Plasma ultra-froids et applications 2)Expériences concernant les molécules froides et la photoassociation 1)Que faire avec des molécules froides ? 2)Spectroscopie de photoassociation 3)Détection efficace des molécules 4)Pompage optique et refroidissement de la vibration des molécules 5)Formation et piégeage de molécules froides 3)Projets futurs Plan Un dispositif (Cs MOT) deux expériences

18 Refroidissement laser des atomes Repétition dabsorption-émission spontanée (transfert dimpulsion) x Refroidissement laser des molécules ? Impossible Refroidissement laser de molécules ?

19 Dautres méthodes marchent ! MéthodeMoléculesT(µK)N Résonance de Feshbach Fermi (Jin); BEC (Ketterle,Grimm,Sengstock) Li 2, K 2, Cs 2, Rb 2, Na 2, Cs 4, KRb0, Photoassociation (Pillet, Zimmerman, DeMille ) Cs 2,Rb 2, He * 2, H 2, Li 2, Na 2, K 2, Ca 2, KRb, RbCs, NaCs, LiCs Collisions à 3 corps (Gabbanini, Grimm) Rb 2, Li 2 0, Cryogénie (Doyle)CaH, CaF, V O, PbO, NH, ND, CrH, MnH Ralentissement Stark (Meijer) Rydberg (Softley) Optique (Barker) Zeeman (Raizen, Merkt) 14 NH 3, 14 ND 3, 15 NH 3,CO,OH,OD,H 2 CO, SO 2, C 7 H 5 N, YbF H 2 C 6 H 6 (190 m/s) O Collision de 2 jets (Chandler)NO, KBr 000 Buse tournante (Herschbach)O 2, CH 3 F,SF Filtrage des vitesses (Rempe)H 2 CO, ND 3, S 2, D 2 O, CH 3 F Refroidissement sympathique (Drewsen,Schiller,Wester) ArH +, ArD +, MgH +, N 2 H +,N 2 D +,H 3 +,D 3 +,D 2 +,H 2 D +, NH 2 - C 16 H 14 C 16 N 2 O 9 S +, Cyt 12+,... <

20 Que faire avec des molécules froides (lentes) ? 1) Faire des mesures précises (G. Meijer, J. Ye, …) a) Durée de vie: OH, CO, … (~59 ms) PRL (2005) Effet due au corps noir b) Spectroscopie: ND 3 structure hyperfine (Hz) EPJD (2004) c) Test de physique fondamentale (Hinds, DeMille, Doyle, Ye,...) ~ 10 3 meilleur quavec des atomes dipole de lélectron (PbO, YbF), chiralité (champ électrique) < /an (mesure sur OH; PRL (2006)) m e /m p (coïncidence de niveaux rotationels et hyperfins) 2) Dipole permanent (molécules hétéronucléaires) cf. Rydberg ! a) Gaz quantique dipolaire (anisotropie) (Zoller, Lewenstein, …) E cin

21 Photoassociation 2 atomes absorbent un photon (1) Désexcitation (2'') (2') Molécules Perte datomes Spectroscopie de longue élongation Plusieurs v peuplés 1998: triplet molécules (détection sélective) Photoassociation & molécules froides C n /R n Détection REMPI Resonance Enhanced Multi-Photon Ionization

22 Li 2 : Hulet (Rice) Na 2 : Lett (NIST), VanderStraten (Utrecht) K 2 : Gould, Stwalley (Storrs) Rb 2 : Heinzen (Austin), Gabbanini (Pise) Cs 2 : Pillet (Orsay), Stwalley (Storrs) H 2 : Walraven (Amsterdam) He 2 : Leduc, Cohen-Tannoudji (Paris) Ca 2 : Tiemann, Riehle (Hannover/Braunschweig) Yb 2 : Takahashi (Tokyo) Sr 2 : Killian (Boulder) 6 Li 7 Li Zimmerman (Tübingen) RbCs: DeMille (Yale) KRb: Bagnato (São Carlos), Stwalley (Storrs) NaCs: Bigelow (Rochester) LiCs: Weidemüller (Freiburg) YbRb: A. Görlitz (Dussedorf)…. PA in BEC (Li, Na, Rb, …) Reviews of Modern Physics, (2006) Spectroscopie de photoassociation ( ) LeRoy-Bernstein(1970) + D. Comparat J. Chem. Phys.1318 (2004) v-v D C n 1/n PA (n-2)/(2n) + PA + …

23 J=0 2 4 C. Lisdat et al., EPJD 21, 299 (2002) N. Vanhaecke et al., EPJD 28, 351 (2004) Photoassociation de frustration (résolution ~10 MHz) ,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0, f energy (cm ) rotation l Détermination du coefficient de van der Waals C 6 = / u.a. C 6 /R 6 Sélective (REMPI) détection R

24 Translation froide + Vibration chaude (pas v=0) A partir datomes But Translation froide + Vibration froide Translation chaude + Vibration froide A partir de molécules Refroidissement cryogénique Ralentissement dun jet supersonique Filtrage en vitesse Champs externe 1µK, at/cm 3 (v unique) Collision avec un partenaire 100µK, at/cm 3 (plusieurs v) 1) Refroidir * interne * externe 2) Meilleure formation Molécules froides (juin 2008!) peu de problèmes de rotation. B mag

25 Eyler, Wang, Stwalley, Gould 2000 J. Deiglmayr, R. Wester, M. Weidemüller PRL 101, (2008) 2 étages 1 étape Relativement faible taux de formation ~ /s dans v=0 PRL (1999) PRL (2000) Former des états profonds ? Meilleure photoassociation ! v=0

26 Détection non sélective en v X (FHWM ~ 25 cm -1 ) Détection pour chercher le maximum de molécules dans X 1 g + (pas a 3 u + ) M. Viteau et al. PRA soumis arXiv:

27 Détection large bande Détection normale Balayage PA Nouvelles molécules (X 1 Σ g + ) J=8 2 B v J R e =(2μB v ) 1/2 = 8.73a 0 Taux de formation 10 6 /s. Méchanisme complexe 4 courbes 1g couplées + 2 photons spontanés ! REMPI fin spectralement v X = 1-10 (pas de v X =0)

28 Cohérent (STIRAP, lasers CW) 2008 H-C. Nägerl (Cs 2 ) Science D. Jin, J. Ye (KRb) Science J. Hecker Denschlag, Grimm (Rb 2 ) PRL Incohérent (laser pulsé ns) DeMille (c-d) 500 mol. v=0 PRL 94, (2005) PA Transférer un niveau de vibration

29 Transférer les niveaux de vibrations POMPAGE OPTIQUE M. Viteau et al. Science 321, 232 (2008) cavity cooling favoriser la desexcitation vers v=0 S. Chu PRL (2000) R. Vivie-Riedle PRL (2007) J. Ye PRA (2008) Contrôle cohérent (fs laser intense) favoriser v=0 (interferences destructives) D. Tannor, A. Bartana & R. Koslov, J. Chem. Phys (1993) 1) Répétition de la séquence Absorption Emission ) Façonner la source pour éviter létape V=0 état noir V=2 X Idée similaire (pour la rotation des ions) M Drewsen J. Phys. B (2004) PRINCIPE DU POMPAGE

30 Façonnage dun laser femtoseconde couvrant ~ 5 niveaux vibrationnels Ligne-4f (B. Châtel) Réalisation expérimentale façonnage

31 Réalisation du pompage optique Transfert (80%) des v X (<8) vers v X = 0 50mW/cm vXvX vCvC 0-3 V X = 0 V C = V X = Limité par la largeur du laser supercontinuum Femto

32 1)Expériences concernant les atomes de Rydberg 1)Que faire avec des atomes de Rydberg froids ? 2)Contrôle des interactions dipolaires 3)Forces dipolaires 4)Plasma ultra-froids et applications futures 2)Expériences concernant les molécules froides et la photoassociation 1)Que faire avec des molécules froides ? 2)Spectroscopie de photoassociation 3)Détection efficace des molécules 4)Pompage optique et refroidissement de la vibration des molécules 5)Formation et piégeage de molécules froides 3)Projets futurs Plan Un dispositif (Cs MOT) deux expériences

33 Piége magnétique (quadrupolaire) N. Vanhaecke et al. PRL (2002) a 3 u + Accumulation après photoassociation dans un MOT à fort gradient Piégeage des molécules (futur) Piège dipolaire hors résonance N. Zahzam et al. PRL (2006) a 3 u + et X 1 g molécules 20 K 10 7 cm -3 B s s Durée de vie ~ 600 ms Délai avant ionisation t ion (ms) ions Cs 2 + Cs MOT profondeur ~ 1K Atomes CO mK Molecules CO mK N ~ 10 7 N ~ 10 5 N ~ 10 4 n ~ cm -3 n ~ cm -3 N ~10 10 cm -3 T ~ 130 μKT ~ 40 μK Molecules seules Molecules + atomes at-mol ~ cm 3 /s mol-mol ~ cm 3 /s

34 Chargement efficace dun piège dipolaire Laser CO 2 sur 50µm Etude dun pousseur-guideur pour transferer les atomes entre 2 MOT E. Dimova et al. EPJD (2007) avec V. Lorent, H. Perrin (LPL) D. Comparat et al. PRA 73, (2006) avec B. Laburthe-Tolra (LPL) Etude du chargement par collision dun laser Nd:YAG (fibre) + réservoir (magnétique) Ne marche pas (piège croisé) pour le Cs !! 10 9 atomes, 150µK (magnétique 10mT/cm) En 0.1s 10 8 atomes 200µK (100W/100µm 2 ) Lévitation magnétique et Zoom optique Résonance de Feshbach N BEC >10 7 en t BEC <1s Théorie « complète » de lévaporation

35 -Amélioration (99%) et sélection des v: meilleur façonnage (B. Châtel) -Refroidissement avec une source incohérente (diode ?) -Test avec un jet moléculaire Futur Repétition ! -Nouvelle expérience YbCs (Fermion-Boson, Boson-Boson) -Appliquer toutes les techniques à la molécule polaire YbCs - Intéret de lYb pour les Rydberg, coeur très polarisable Excitation (nl) du premier électron et piégeage laser du second (coeur isolé) V=0, J=0 noir J=2 J=1 J=0 J=2 J=1 V=0, J=2 V=0, J=1 - Extension à la rotation - Refoidissement de molécules (test sur Cs 2 )

36 Bruno Laburthe-Tolra Cyril Drag Nicolas Vanhaecke Thibault Vogt Matthieu Viteau Amodsen Chotia Ridha Horchani Nassim Zahzam Dimitris Sofikitis Nathalie Hoang Guillaume Stern Wilson de Souza Melo Christian Lisdat Marcel Mudrich Emilyia Dimova Andréa Fioretti Jianming Zhao (Suotang,Xiao) Duncan Tate Maria Allegrini Thomas Gallagher Nadia Bouloufa Anne Crubellier Olivier Dulieu Eliane Luc Françoise Masnou Etienne Brion Vladimir Akulin Personnel du laboratoire Aimé Cotton (administration, électronique, chaudronnerie, mécanique, accueil, achats et marchandises,...) Pierre Pillet Thésards Ryd,Mol BEC Post-doc Ryd,Mol BEC Invités Théorie LAC Jérome Leygnier Michèle Leduc Christian Colliex


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