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Saïda GUELLATI-KHELIFA Laboratoire Kastler Brossel (CNRS-UPMC-ENS) Conservatoire National des Arts et Métiers Manipulation datomes par laser et métrologie.

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1 Saïda GUELLATI-KHELIFA Laboratoire Kastler Brossel (CNRS-UPMC-ENS) Conservatoire National des Arts et Métiers Manipulation datomes par laser et métrologie des constantes fondamentales

2 Latome est universel Appareil de mesure universel

3 Interroger un seul atome ?

4 Dans la nature, un atome nest jamais seul…

5 NvNv Comment se procurer les atomes pour une expérience de physique atomique? V = 700 m/s Dispersion en vitesseAgitation thermique T SOLUTION Refroidir les atomes par laser T. W. Hänsch and Schawlow, Opt. Comm. 13, 68 (1975) D. Wineland and H. Dehmelt, Bul. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975)

6 Effet « mécanique » de la lumière sur les atomes Manifestation macroscopique Kepler 1619

7 Effet « mécanique » de la lumière sur les atomes Absorption + émission spontanée fEffEf eEeeEe Photon (ħk, h ) fEffEf eEeeEe E e – E f = h v = ħ k /M = v r fEffEf eEeeEe Photon (ħ k, h )

8 Atome + Laser : Force de pression de radiation Accélération = g

9 Condition de résonance L - k L v (z) = at Ralentissement dun jet atomique par balayage de fréquence

10 Refroidissement Doppler < at Milieu « optiquement » visqueux Mélasse optique Force de friction F = - V

11 Piége magnéto-optique f (J = 0) e (J = 1) m = -1 m = 0 m = +1 m = 0 position + - F = - V – r Mélasse à 3D Effet Doppler Piégeage Effet Zeeman

12 Quelques ordres de grandeurs Piège + refroidissement Doppler et sub-Doppler n = atomes/cm 3 T quelques Kelvin

13 Horloge atomique Mesure de la constante de structure fine Interférométrie atomique

14 lHorloge atomique La seconde est la durée de périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de létat fondamental de latome de Césium Oscillateur à Quartz Multiplicateur de fréquence Boucle de rétroaction fEffEf eEeeEe P ( ) Résonateur atomique Réponse atomique Signal derreur Signal dinterrogation

15 Principe de double interrogation: Ramsey détecteurFour

16 A la quête de lexactitude des expériences de dimensions surhumaines

17 Fontaine atomique == un jet atomique vertical Fontaine atomique de Zacharias (MIT 1953)

18 V = 100 m/s La hauteur de la fontaine 500 m NvNv

19 Fontaine à atomes froids (1990) Lhorloge la plus précise au monde (SYRTE) 1 s tous les 20 millions dannées!! Limite : accélération de la pesanteur

20 Projet dHorloge Atomique par refroidissement dAtomes en Orbite + ACES Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,.. Dérive dans le temps de la constante de structure fine Chronométrage des pulsars millisecondes: génération dondes gravitationnelles Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale

21 quantum Hall effect hfs muonium h / m(neutron) h / m(Cs) QED h / m Solid state physics g – 2 of the electron (UW) p,h-90 h / m(Rb) R K =h/e 2 = 0 c /2 a e = f ( / ) mv=h/ g – 2 of the electron (Harvard) v r =ħk/m CODATA 2002 P. Mohr and B. Taylor, RMP, 77 (2005) G. Gabrielse et al, PRL, 97, , 2006 Déterminations de la constante de structure fine Codata = Committee on DATA for science and technology

22 Mesure de la vitesse de recul : difficultés v r (Rb) 6 mm/S Emission spontanée Difficultés

23 Latome gagne 2 fois la vitesse de recul Transition sélective en vitesse e a b M k k Absorption + émission stimulée Transition Raman séléctive en vitesse

24 N 2ħk Accélération cohérente mesure (Transition Raman) sélection (Transition Raman) Principe de lexpérience Incertitude finale vr = v / (2N) F=1 87 Rb F=1 5S 1/2 F=2 5P 3/2 F=2 F=1

25 E tot 2ħk2ħk p Accélération cohérente dans un réseau optique U 0 /2 M k k Transfert de ~ 2000 x v r Determination de à 6,7 x 10 -9

26 Caractère ondulatoire de la matière M : la masse de la particule V : Vitesse de la particule h : constante de Planck Temp. Vitesse de Broglie thermique (microns) 300 K 300 m/s 1 x µK 30 m/s 0, nK 1 cm/s 1

27 |a, v > |b, v +2v r > Interférométrie atomique a b c M k k Mesure de h/M Cs [7 x ] Mesure de g [3 x ]

28 Expérience de H. Cavendish 1798 (Balance de torsion)

29 Navigation inertielle dengins civils et militaires Détection de bunker.. Meilleurs connaissances des structures géologiques (pétrole, diamants..) Fluctuations des niveaux des océans, climat, calotte glacière

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33 Comment observer le condensat de Bose ? Imagerie dabsorption In-situ distribution spatiale dans le piège magnétique Par temps de vol distribution de vitesse

34 Vérification du principe déquivalence Projet Hyper (Hyper-Precision Atom Interferometry In Space ) Masse « Grave » Masse « Inerte » Théorie des cordes ?

35 F = 1 m = 1 F = 1 m = 0 F = 1 m = -1 h RF Condensation de Bose-Einstein Prix Nobel 2001 NTNT N/100 T/1000 n DB 3 est multiplié par 10 7

36 d Longueur donde thermique de Broglie d Condensation de Bose Einstein T = ambiante Particules quasi- ponctuelles d = f (n) T ~ 1 K d Transition de phase à n 3 = T < T c Une fraction macroscopique des atomes passe dans le même état fondamental Condensation de Bose- Einstein Limite refroidissement dissipatif n DB = 10 -6

37 Prédiction en Réalisation en 1995 A. Einstein S. Bose Prix Nobel 2001 Boson : particule de spin entier (photon, gluon…) Statistique de Bose-Einstein

38 Refroidissement évaporatif (pas de force de friction: non dissipatif) ( est le spin de latome) x W Collision élastique thermalisation élas / inelas > 150

39 Signature de la condensation de Bose-Einstein Quelques millions datomes dans un piège magnétique anisotrope Temps de vol Gaz de Boltzmann Condensat 0.5 à 1 K 100 m * 5 m Sans interaction 1000 atomes de Rubidium dans létat fondamental du Piège magnétique

40 Comment mesurer la température ? C.Salomon, J. Dalibard, W. Phillips, A. Clairon, S. Guellati, Europhys. Lett. 12, 683 (1990)

41 Source cohérente datomes interférométrie atomique

42 Projet dHorloge Atomique par refroidissement dAtomes en Orbite + ACES Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,.. Dérive dans le temps de la constante de structure fine Chronométrage des pulsars millisecondes: génération dondes gravitationnelles

43 E tot 2ħk2ħk p M. Ben Dahan et al, Phys. Rev. Lett. 76 (1996) Accélération cohérente : approche des oscillations Blcoh U 0 /2 ~ 2000 x v r à 6,7 x 10 -9

44 Expérience de Stanford Mesure de h/M Cs [7 x ] Mesure de g [3 x ] |a, v =0 > |b, v = 3 v r > T T | a, v= 4 v r > 2 |b > |a >

45 ~ 450 oscillations de Bloch Efficacité de transfert >99.95% point = 4 spectres (20 mn) 72 valeurs Incertitude statistique sur de 4.4 £ Nouvelle détermination de Cladé et al, PRL, 96 (2006)

46 Succession de transitions Raman stimulées (même niveau hyperfin) F=1 2 M k k 2v r Impulsion Energy h h v r par cycle Accélération cohérente des atomes : approche simple Incertitude sur =


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