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De la condensation de Bose-Einstein à leffet Hanbury Brown & Twiss de lhélium métastable travail de thèse effectué au laboratoire Charles Fabry de lInstitut.

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1 De la condensation de Bose-Einstein à leffet Hanbury Brown & Twiss de lhélium métastable travail de thèse effectué au laboratoire Charles Fabry de lInstitut dOptique

2 Plan de lexposé Le groupement de bosons Présentation Corrélation et indépendance Lamplitude du groupement Fonction de corrélation Manifestation expérimentale Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages Rôle du détecteur Modifications du montage expérimental Un nouveau détecteur Modifications réalisées Perspectives dévolution probabilité

3 Plan de lexposé Le groupement de bosons Présentation Corrélation et indépendance Lamplitude du groupement Fonction de corrélation Manifestation expérimentale Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages Rôle du détecteur Modifications du montage expérimental Un nouveau détecteur Modifications réalisées Perspectives dévolution probabilité

4 Le groupement de bosons Introduction Question : « Quest-ce quun boson ? » Cest une particule de fonction donde symétrique. Symétrie = échange de deux particules. Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? »

5 Le groupement de bosons Expérience de type « Hanbury Brown & Twiss » Corréler les intensités Introduction source corrélation Davantage de corrélations quand les détecteurs sont « superposés »

6 Le groupement de bosons longueur de cohérence = taille des tavelures Le groupement : approche ondulatoire Optique : Optique atomique :

7 Le groupement de bosons Le groupement : approche ondulatoire Interprétation ondulatoire : tout sexplique le « groupement » la longueur de corrélation Interprétation corpusculaire : manifestation des interférences = groupement des photons pas dinteraction

8 Le groupement de bosons Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? » Corrélation et indépendance t1t1 t2t2 t t3t3 t4t4

9 Le groupement de bosons Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? » Corrélation et indépendance t1t1 t2t2 t t3t3 t4t4

10 Le groupement de bosons Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? » Corrélation et indépendance 1 g (2) ( ) t1t1 t2t2 t t3t3 t4t4

11 Le groupement de bosons Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? » Corrélation et indépendance l corr

12 Le groupement de bosons Explication par la mécanique quantique Toutes les amplitudes de probabilité sadditionnent (pour des bosons). Les amplitudes interfèrent On mesure des intensités (larrivée datomes). ceci donne des interférences Lamplitude du groupement

13 Le groupement de bosons Lamplitude du groupement a b

14 Le groupement de bosons Fonction de corrélation bosons « thermiques »

15 Le groupement de bosons a b Lamplitude du groupement

16 Le groupement de bosons Fonction de corrélation bosons « thermiques » condensat pur

17 Le groupement de bosons Manifestation expérimentale Manifestation du groupement Collisions Plus g (2) (0) augmente, plus il y a de collisions condensation suppression du groupement g (2) diminue Sur des images en absorption Corrélation sur le bruit des images Nature 434, 481 (2005) Phys. Rev. Lett. 79, 337 (1997) Phys. Rev. Lett. 77, 3090 (1996) Comptage datomes individuels Cest une mesure de g (2) directe et sensible Première expérience : Yasuda & Shimizu (96)

18 Plan de lexposé Le groupement de bosons Présentation Corrélation et indépendance Lamplitude du groupement Fonction de corrélation Manifestation expérimentale Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages Rôle du détecteur Modifications du montage expérimental Un nouveau détecteur Modifications réalisées Perspectives dévolution

19 x,y,t Le principe de la mesure : montage expérimental Comment mesurer le groupement ? On enregistre les positions et les instants de chaque détection datome. Le détecteur Le nuage datomes

20 Questions ? Expansion des nuages : connaissances sur la densité traduction sur g (2) ? Rôle du détecteur discrétisation atténuation Expansion des nuages Comment mesurer le groupement ?

21 Expansion Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages ? lrlr t lrlr r t m p lplp m lrlr Propriétés du piège

22 Le groupement de bosons Approche optique pas de « groupement » longueur de cohérence (taille des tavelures) Le groupement : approche optique champ lointain Optique : Optique atomique :

23 Existe-t-il un changement déchelle ? Expansion des nuages Comment mesurer le groupement ? Conditions de validité ? Si oui, on connaît tous les moments densité G (2)

24 Calcul sur la densité Calcul valide pour un gaz parfait Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages Ou pour un gaz totalement condensé et très anisotrope

25 Comment mesurer le groupement ? Rôle du détecteur pixellisation discrétisation moyennage problème de résolution histogrammes Discrétisation Longueur de corrélation : 31 m x 760 m x 250 s résolution > 30 m chute du signal g (2) ( )

26 Comment mesurer le groupement ? Rôle du détecteur % K amplitude de signal en fonction de la température K (mm) Longueur de corrélation : 31 m x 760 m x 250 s résolution > 30 m chute du signal

27 Conclusion séparation entre deux détections : r (mm) g (2) (r) Hanbury Brown Twiss Effect for Ultracold Quantum Gases Publié en ligne le 15 September 2005 dans Science Express Reports

28 Conclusion séparation entre deux détections : r (mm) g (2) (r) Hanbury Brown Twiss Effect for Ultracold Quantum Gases Publié en ligne le 15 September 2005 dans Science Express Reports

29 Plan de lexposé Le groupement de bosons Présentation Corrélation et indépendance Lamplitude du groupement Fonction de corrélation Manifestation expérimentale Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages Rôle du détecteur Modifications du montage expérimental Un nouveau détecteur Modifications réalisées Perspectives dévolution

30 Montage expérimental Un nouveau détecteur

31 8 cm Montage expérimental Un nouveau détecteur Perte de sensibilité

32 Montage expérimental Un nouveau détecteur Quelle est sa résolution ? Fonctionnement dune ligne à retard La résolution, cest le temps de propagation 400 ps 500 m Longueur de corrélation : 31 m x 760 m x 250 s

33 Montage expérimental Modifications réalisées détecteur 3D détecteur dions accès optique

34 Perspectives dévolution Un système de comptage Collision de condensats création de paires corrélées Un détecteur tridimensionnel mieux distinguer les nuages de formes différentes mieux repérer les faibles fractions condensées étude de la croissance du condensat mieux repérer la température de transition (aussi avec les ions)

35 Perspectives dévolution Rôle des interactions Prévoir leur influence sur g (2) Cas des nuages 1D De nouveaux accès optiques créer des potentiels de piégeage optique : réseaux manipulation du nuage atomique : séparer et recombiner

36 Léquipe He* Les anciens Olivier Sirjean Signe Seidelin Le groupement de bosons Jose Gomes Rodolphe Hoppeler Martijn Schellekens Aurélien Perrin Les nouveaux Valentina Krachmalnicoff Hong Chang Les permanents Alain Aspect Chris Westbrook Denis Boiron

37 FIN

38 Rôle des interactions sur g (2) (hors champ moyen) dans le piège ? après expansion ? Comment mesurer le groupement ? Rôle des interactions Les interactions dans le piège influence aux courtes distances simplification modèle de sphère dure leffet sur g (2) est-il perturbatif ?

39 Comment mesurer le groupement ? Rôle des interactions effet dramatique résultat dans le piège (pour un gaz thermique) après expansion, leffet est-il toujours présent ?

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41 Montage expérimental Description du montage originel Injecter lhélium

42 Montage expérimental Description du montage originel Exciter lhélium

43 Montage expérimental Description du montage originel Ralentir le jet atomique

44 Montage expérimental Description du montage originel Piéger les atomes PMO

45 Montage expérimental Description du montage originel Refroidir les atomes PM

46 Montage expérimental Description du montage originel Caractéristiques PM fréquences doscillation : rad.s -1 rapport daspect 25 nombre datomes : dans un nuage thermique : qqes 10 6 dans un condensat pur : qqes 10 5 température critique : de lordre de 1 K rad.s -1

47 Montage expérimental Modifications réalisées Encombrement du détecteur

48 Montage expérimental Modifications réalisées Déplacer la table optique avantaprès

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50 Le groupement de bosons Symétrisation Interférences : quest-ce qui interfère ? Les amplitudes de probabilités. (ex: interféromètre de Michelson) Principe de lexpérience de Hanbury Brown & Twiss Corréler les intensités Lamplitude de probabilité est toujours bruitée Le bruit nest pas forcément corrélé aux fluctuations du signal Notre expérience est sur le même principe. On observe des intensités (On symétrise quand même sur les amplitudes)

51 Le groupement de bosons Symétrisation {|i } i [1,n] Détection de n particules parmi n. |1 |2 |3 …|n n! possibilités |état =1/ n! | | | …| Si le détecteur ne fait pas la distinction : A détecté = 1/ n! x n! = n! P détecté = n! 2n(n-1) |état =1/ n(n-1) | | A détecté = n(n-1) P détecté = 2 Probabilité du tirage :

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53 Calcul valide pour un gaz isotrope parfait résoudre ou dans la limite de Thomas-Fermi résoudre Ou pour un gaz totalement condensé et très anisotrope Comment le mesurer? Expansion des nuages

54 Comment mesurer le groupement ? Rôle du détecteur Moyennage Longueur de corrélation : 31 m x 760 m x 250 s

55 Montage expérimental Description du montage originel condensat gaz thermique d Refroidir pour condenser

56 Montage expérimental Description du montage originel d Densité du nuagedans lespace des phases p r condensatgaz thermique

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