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Collisions ionisantes : un nouveau diagnostic pour les condensats de Bose-Einstein dhélium métastable Olivier Sirjean Soutenance de thèse de doctorat,

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1 Collisions ionisantes : un nouveau diagnostic pour les condensats de Bose-Einstein dhélium métastable Olivier Sirjean Soutenance de thèse de doctorat, 27 Juin 2003

2 2 k B Tk B T Longueur donde de de Broglie thermique : La condensation de Bose-Einstein Critère : n ~ 1, avec 1/T 1/2 d = n -1/3 k B Tk B T

3 3 Pourquoi obtenir un CBE ? Source cohérente dondes de matière pour lOptique Atomique ("laser à atomes"). interférences, battements … 1995 : Première observation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein dans un gaz dilué de rubidium. Prix Nobel de Physique Fluide quantique dilué et au-delà,... modélisation simple des interactions. lien avec la superfluidité.

4 4 Particularités de lhélium métastable 4 He dans létat 2 3 S 1 (He*). Originalité de lHe* collisions Penning. He* + He* He + He + + e - Observation des ions produits par le condensat nouveau diagnostic. He* He + 20 eV dénergie interne détection électronique rapide et efficace. e-e- 1 canal du MCP 2 kV

5 5 Particularités de lhélium métastable 4 He dans létat 2 3 S 1 (He*). Originalité de lHe* collisions Penning. He* + He* He + He + + e - Observation des ions produits par le condensat nouveau diagnostic. He* He + 20 eV dénergie interne détection électronique rapide et efficace. e-e- 1 canal du MCP

6 6 Atomes métastables C. Westbrook, A. Aspect IOTA, Orsay M. Leduc, C. Cohen-Tannoudji ENS, Paris W. Hogervorst, W. Vassen Amsterdam G. Birkl, W. Ertmer Hannovre H.C.W. Beijerinck, E.J.D. Vredenbregt Eindhoven Australie Allemagne France Japon Pays Bas USA He* { { Ne* He*, Ne*, Ar*, Kr*, Xe*

7 7 A) Obtention des condensats dHe* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal dions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de lHe* C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives Plan de lexposé

8 8 A) Obtention des condensats dHe* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal dions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de lHe* C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives Plan de lexposé

9 9 Piège magnéto-optique : Réalisation expérimentale Piège 240 A : B 0 : 0.3 to 200 G ; B = 87 G / cm ; B= 16 G / cm 2 z / 2 = 47 Hz ; / 2 = 1800 Hz (1200 Hz) Piege magnétique : mK K

10 10 g E e - E h RF h h RF énergie 1. Troncature de la distribution dénergie T diminue dB et augmentent !! 2. Thermalisation Grâce aux collisions élastiques Distribution dénergie = e -E/k B T * (densité détat) Refroidissement évaporatif

11 Détection des atomes : le temps de vol Evolution des signaux observés après la coupure du piège au cours de lévaporation. MCP g h Ajustements N th, T, N 0, µ Double structure Signature du CBE

12 12 Détection des ions He + Discri.Temps Mort Compteur PCI -30 V Enregistrement : Temps entre chaque impact. Analyse : Flux en fonction du temps. Comptage signal à bruit limité par « bruit de grenaille »

13 13 A) Obtention des condensats dHe* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal dions - nouveaux diagnostics - suivi en direct et non perturbatif de la naissance du condensat Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de lHe* C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives Plan de lexposé

14 14 Collisions avec le gaz résiduel : Mesures de durée de vie He* + X He (1 1 S 0 ) + e - + X + Exemple : X = H 2 O indépendant de la densité Nombre datomes

15 15 Collisions avec le gaz résiduel : Evolution du nombre datomes Ions + atomes Atomes Ions

16 16 Collisions à 2 et 3 corps : Suivi de la densité du nuage He* + He* He (1 1 S 0 ) + He + + e - He* + He* + He* He*(1 mk) + He (1 1 S 0 ) + He + + e - Dépend de la densité !

17 17 Naissance du condensat Temps(s) Flux dions détecté (cps/s) Temps de Vol

18 18 Naissance du condensat Flux dions détecté (cps/s) Temps de Vol Avant ! Au seuil !Apres ! Fonction Bose Gaussienne

19 19 Expression du taux dions He* + He* He (1 1 S 0 ) + He + + e - He* + He* + He* He*(1 mk) + He (1 1 S 0 ) + He + + e - CBE dilué

20 20 Simulation de la formation Total 3 corps 2 corps 1 corps

21 21 A) Obtention des condensats dHe* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal dions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de lHe* C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives Plan de lexposé

22 22 Principe des mesures CBE Méthode : Mesurer : Φ i, N, n pour un même échantillon Sur CBE pur ! t1t1 2 s t s 0.01 s Difficulté : Mesurer les grandeurs de façon absolue ! Temps de vol : N et n via

23 23 Mesures sur des condensats purs : paramétrisation Approximation T-F Mesure de n 0 et N

24 24 Mais : grande longueur de diffusion effet des interactions important Prise en compte de la Déplétion quantique Correction importante ( ~ 0.25 pour les densités les plus élevées) Même si le N (déplétion quantique) est faible ( qq % ) Collisions à 2 corps : correction 2 fois plus faible Pour des condensats dilués : fonctions de corrélation locales Shlyapnikov Cornell, Wieman Shlyapnikov Mesures sur des condensats purs : effet des interactions

25 25 Ajustement (, L) pour chaque valeur de a Pour chaque point : N et n 0 via (TOF) et Taux dions Vérification CBE pur (>90%) courbure 3-corps (L) joue un rôle non-négligeable !! Mesures sur des condensats purs

26 26 Mesures sur des condensats purs : Résultats Prédictions théoriques Dépendance due paramétrisation

27 Mesures sur des nuages thermiques au seuil : paramétrisation Temps (s) Flux dions détecté (cps/s) Indépendant de a ! Mesure de Tc n s et N s

28 28 Mesures sur des nuages thermiques au seuil

29 29 Résultats Res. Bec purs Res. Therm. seuil Res. Bec purs Res. Therm. seuil Prédictions théoriques Dépendance due paramétrisation

30 30 Résultats Erreur Statistique Erreur systématique : Efficacité absolue de détection des ions Autre erreur systématique à étudier : effet dune expansion dans le régime hydrodynamique

31 31 A) Obtention des condensats dHe* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal dions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de lHe* C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives Plan de lexposé

32 32 Conclusion et perspectives Atomes métastables Signal dionisation un signal supplémentaire, complémentaire en temps réel non-perturbatif - qualitativement rupture de pente : apparition du CBE - collisions à 3 corps importantes - vers du quantitatif : mesures de et L (pour quelle valeur de a nos résultats sont cohérents) Nous espérons (meilleure calibration de N, ou mesure indpt de a ) -Montrer expérimentalement * le déplacement dû aux interactions * leffet de la déplétion quantique -suivre quantitativement la formation du CBE en une seule réalisation

33 33 Merci à... Léquipe He*Antoine Browaeys Alice BobertDenis Boiron Signe SeidelinChris Westbrook José Gomes Alain Aspect Rodolphe Hoppler Martejn Schellekens Le groupe dOptique Atomique et ses électroniciens André Villing Frédéric Moron Les différents services de lIOTA Le service des TP Latelier de mécanique Le service technique Latelier du verre Laccueil-reprographie,…

34 34 Léquipe He*

35 35 Détection des ions He + Discri.Temps Mort Compteur PCI -30 V Enregistrement : Temps entre chaque impact. Analyse : Flux en fonction du temps.

36 36 Et la décroissance…. Bouclier-rf Sans Bouclier-rf

37 37 Raman transitions 2 faisceaux co-propageants (non-sélectif en vitesse) Avec polarisation et

38 38 Densité dans lapproximation de champ moyen : 1. Ordre perturbation (Stringari) Énergie de point zéro Interactions


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