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Condensation du chrome et collisions assistées par des champs radiofréquences Quentin Beaufils Laboratoire de Physique des Lasers Université Paris Nord.

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Présentation au sujet: "Condensation du chrome et collisions assistées par des champs radiofréquences Quentin Beaufils Laboratoire de Physique des Lasers Université Paris Nord."— Transcription de la présentation:

1 Condensation du chrome et collisions assistées par des champs radiofréquences Quentin Beaufils Laboratoire de Physique des Lasers Université Paris Nord Villetaneuse - France Gabriel Bismut, Benjamin Pasquiou, Paolo Pedri, Bruno Laburthe- Tolra, Etienne Maréchal, Laurent Vernac, Olivier Gorceix

2 Interaction dipôle-dipôle: longue portée (1/r 3 ) anisotrope répulsive attractive Le chrome: Étudier les interactions dipôle-dipôle dans des gaz quantiques (condensats de Bose-Einstein et mers de Fermi) Les phénomènes de statistique quantique à très basse température les condensats de Bose-Einstein les mers de Fermi quel est le rôle des interactions ? Dans la plupart des expériences (alcalins): interactions van-der-Waals courte portée (1/r 6 ) isotropes fort moment magnétique de 6µ B => interaction dipôle-dipôle 36 fois plus grande que pour les alcalins 1 boson et 1 fermion (isotopes majoritaires) Introduction

3 Quelques idées : Relaxation dipolaire : Collision avec changement de la magnétisation totale – Effet Einstein- DeHaas. Bosons dipolaires dans des réseaux optiques : Relaxation dipolaire en dimension réduite. Interactions dipolaires intersites. Fermions dipolaires : Refroidissement sympathique : mer dégénérée de Fermi dipolaire. Création dun ferrofluide quantique, dont les interactions dipôle-dipôle sont (au moins) du même ordre de grandeur que les interactions de contact (van der Waals) Implosion du condensat en onde d : Introduction 1er condensat de chrome par léquipe de T. Pfau (Stuttgart 2005) : Phys. Rev. Lett. 94, (2005) Nature. 448, 672 (2007) PRL 101, (2008)

4 Plan de lexposé Condensation tout optique du 52 Cr. Relaxation dipolaire assistée par la RF. Relaxation dipolaire dans un condensat de chrome.

5 Le chrome Oui (I=3/2)Non (I=0)structure hyperfine Fermi-DiracBose-Einsteinstatistique 9,5 %83,8 %abondance 53 Cr 52 Crisotope 52 Cr (boson) 3d 5 4s 1 7 P 4 Émission spontanée vers les niveaux métastables 3d 5 4p 1 3d 4 4s 2 6 µ B ~170 s -1 pour 52 Cr 7 P 3 7 S 3 5 D 4 5 D 3 Transition de refroidissement nm repompeurs 654 et 663 nm

6 Chambre expérimentale: Four pour le Cr (T~1500°C) P I = mbar !!! Chambre expérimentale : P II = mbar =30 s

7 Pièges magnéto-optiques de Cr 52 Cr 53 Cr N = bosonsN = fermions Temps de chargement très courts (10 à 100 ms) et nombres limités datomes : fuites vers les états métastables repompeurs (diodes à 663 et 654 nm) collisions inélastiques (processus dominant) R. Chicireanu et al. Phys. Rev. A 73, (2006) Taux 2 à 3 ordres de grandeur plus élevés que pour les alcalins

8 Notre approche : accumulation en continu des atomes métastables dans un piège optique. Atomes métastables ODT 425nm Le piège optique: Laser fibré 1075 nm Faisceau horizontal – waist ~ 40 μm

9 Intérêt : charger tous les sous-niveaux magnétiques et limiter les collisions inélastiques en diminuant la densité au centre. Intérêt : charger tous les sous-niveaux magnétiques et limiter les collisions inélastiques en diminuant la densité au centre. Principe : Pendant le chargement, on moyenne les forces magnétiques à zéro en basculant rapidement le spin des atomes Principe : Pendant le chargement, on moyenne les forces magnétiques à zéro en basculant rapidement le spin des atomes Sweep RF m>0 m<0 Deux améliorations : (i) Annuler les forces magnétiques avec un champ rf Q. Beaufils et al., Phys. Rev. A 77, (2008)

10 Intérêts : Intérêts : Un taux de collisions inélastiques plus faible. Un taux de collisions inélastiques plus faible. Un taux de chargement plus élevé. Un taux de chargement plus élevé. 5D45D45D45D4 5S25S25S25S2 7S37S37S37S3 7P37P37P37P3 7P47P47P47P4 425nm 427nm 633nm663nm (ii) Dépomper vers létat métastable 5 S 2

11 Chargement du piège dipolaire: Bilan Chargement des états 5 D 4 et 5 D 3 : Chargement des états 5 D 4 et 5 D 3 : 1,2 millions datomes (i) Rampes RF : (i) Rampes RF : 2 millions datomes (ii)(+(i)) Chargement des états 5 D 4 et 5 S 2 : (ii)(+(i)) Chargement des états 5 D 4 et 5 S 2 : 5 millions datomes Taux de chargement = 10 7 s -1 Taux de chargement = s -1 Taux de chargement = s -1 Le taux de chargement vaut ¼ de celui du MOT Mais la densité dans lespace des phases vaut 10 -6

12 Chargement du piège optique croisé Transfert de la puissance IR du faisceau piège horizontal au vertical (avec une lame ½ onde motorisée) Suppression des collisions inélastiques: Polarisation des atomes dans le sous niveau Zeeman de plus basse énergie (transition 7 S 3 7 P 3 à 427 nm) Chargement Evaporation 100 ms 16 s MOT Piège horizontal Piège vertical Repompage et polarisation 500 mW 35 W Croisement des deux bras du piège optique 6s Refroidissement évaporatif

13 Rayons de Thomas-Fermi : 4 et 5 microns Densité : at/cm 3 Temps de vie : quelques secondes. Q.Beaufils et al., Phys.Rev. A 77, (R) (2008) BEC de atomes x Temps (ms) Densité dans lespace des phases Evaporation forcée Un condensat de chrome (nov 2007)

14 Quelques expériences Radio-frequency-induced ground-state degeneracy in a Bose- Einstein condensate of chromium atoms Q. Beaufils et al. Phys. Rev. A 78, (2008) Radio-frequency-induced ground-state degeneracy in a Bose- Einstein condensate of chromium atoms Q. Beaufils et al. Phys. Rev. A 78, (2008) Radio-frequency-induced ground-state degeneracy in a Bose- Einstein condensate of chromium atoms Radio-frequency-induced ground-state degeneracy in a Bose- Einstein condensate of chromium atoms Feshbach resonance in d -wave collisions, Q. Beaufils et al. Phys. Rev. A 79, (2009) Feshbach resonance in d -wave collisions, Q. Beaufils et al. Phys. Rev. A 79, (2009) Feshbach resonance in d -wave collisions Feshbach resonance in d -wave collisions Expériences récentes : relaxation dipolaire Expériences récentes : relaxation dipolaire Dans un condensat Dans un condensat Assistées par la rf Assistées par la rf En dimension réduite En dimension réduite

15 Plan de lexposé Condensation tout optique du 52 Cr. Relaxation dipolaire assistée par la RF Relaxation dipolaire dans un condensat de chrome.

16 Deux canaux de relaxation dipolaire dans m = +3 (pas de relaxation dans m = -3) : Relaxation dipolaire Δm S = -1 Δm S = -2 Le gain en énergie cinétique produit des pertes ou du chauffage. Notre condensat est dans m = -3 On bascule les spin dans m = +3 avec une rampe RF On observe des pertes dues à la relaxation dipolaire

17 Mesure du taux de relaxation dipolaire : Resultat typique Rf sweep 2 Condensat dans m = -3 detection BEC m = -3 Rf sweep 1 m = +3, temps variable Temps (ms) Nombre datomes Champ statique Taux de collisions à deux corps Dans un condensat : Pertes

18 Il a été montré ( S.Hensler, Appl. Phys. B, 77, 765 (2003) ) que lapproximation de Born est valable pour B 10 G… pas entre les deux ! Mesure BEC Approximation de Born (BEC) Mesure gaz thermique Approximation de Born (thermique) Champ magnétique (G) Paramètre de pertes à deux corps cm 3 /s -1 Calcule théorique (A. Crubelier)

19 Conclusion On comprend bien les taux de collisions. On comprend bien les taux de collisions. Lénergie typique de sortie (Zeeman) est supérieure au potentiel chimique du condensat. Lénergie typique de sortie (Zeeman) est supérieure au potentiel chimique du condensat. Le moment magnétique de spin est transféré en moment orbital interatomique : peut on observer cette rotation? (effet Einstein-DeHaas) Le moment magnétique de spin est transféré en moment orbital interatomique : peut on observer cette rotation? (effet Einstein-DeHaas) Utilisation détats habillés par la RF : relaxation dipolaire entre multiplicités. Ueda, PRL 96, (2006)

20 Plan de lexposé Condensation tout optique du 52 Cr. Relaxation dipolaire assistée par la RF. Relaxation dipolaire dans un condensat de chrome.

21 Propriétés de collisions inélastiques des états habillés par la rf (hors résonnance) : m=-3 etat de plus basse énergie? Couplage entre multiplicités différentes

22 Relaxation dipolaire assistée par la rf Theorie : Anne Crubellier (LAC – IFRAF) et Paolo Pedri (postdoc IFRAF dans notre groupe) Mécanisme similaire à la relaxation dipolaire Gap ~ Dans lapproximation de Born :

23 Contrôle de la relaxation dipolaire: Amplitude: Energie de sortie:

24 Une proposition pour voir leffet Einstein de Haas:. Mettre en rotation le condensat par relaxation dipolaire – assistée par photons rf. La relaxation dipolaire crée du moment orbital, mais aussi une énergie magnétique : il faut ΔE < µ : Contrôle de B au kHz près au voisinage de 0 (difficile) Contrôle de B au kHz près au voisinage de 0 (difficile) Relaxation dipolaire assistée par un champ rf à résonnance parallèle au champ statique : Contrôle de B au kHz près au voisinage de 100kHz (facile) + contrôle de la rf. Contrôle de B au kHz près au voisinage de 100kHz (facile) + contrôle de la rf. 0! 0!

25 Conclusion Condensation du chrome – atomes en 14s. Condensation du chrome – atomes en 14s. Relaxation dipolaire – Analyse des taux en fonction du champ magnétique. Relaxation dipolaire – Analyse des taux en fonction du champ magnétique. Etats habillés par la rf –Relaxation dipolaire dans -3, contrôle par la rf. Etats habillés par la rf –Relaxation dipolaire dans -3, contrôle par la rf.

26 Perspectives Réseaux optiques – Gaz dipolaire en dimension réduite. Réseaux optiques – Gaz dipolaire en dimension réduite. Résonnance de Feshbach – Gaz purement dipolaire. Résonnance de Feshbach – Gaz purement dipolaire. Fermions – Mer dégénérée de Fermi datomes polarisés avec des interactions dipôle-dipôle. Fermions – Mer dégénérée de Fermi datomes polarisés avec des interactions dipôle-dipôle.

27 Anciens: T. Zanon, R. Barbé, A. Pouderous, R. Chicireanu Collaboration: Anne Crubellier (Laboratoire Aimé Cotton) B. Pasquiou O. Gorceix Q. Beaufils P. Pedri B. Laburthe L. Vernac J. C. Keller E. Maréchal G. Bismut

28 La RF modifie le facteur de Landé Le facteur de Landé g J des atomes est modifié par un champ rf Hors résonnance. Pour un champ statique perpendiculaire à la RF, si la fréquence RF ω est plus grande que la fréquence de Larmor ω 0,, alors : Énergies propres These de Serge Haroche S.Haroche, et al., PRL (1970) A 2D… Généralisation à 3D ? Dégénérescence dans un champ magnétique non nul !

29 Nous appliquons un champ rf tel que : Nous appliquons un champ rf tel que : Nous appliquons un gradient. Nous appliquons un gradient. La rf modifie leffet de ce gradient. La rf modifie leffet de ce gradient. Q.beaufils et al., Phys.Rev. A 78, (2008) »

30 Propriétés de collisions inélastiques des états habillés par la rf (hors résonnance) : N+1 N N-1 Etat de plus basse énergie?

31 Analytical expression for dressed state (from C. Cohen-Tannoudji) First order perturbation theory: Une autre démonstraction (Floquet analysis) Soit un état propre modulé en temps: e.g. different Zeeman states Resonant coupling between m=1 and m=0 with echange of N photons

32 l = 0 l = 2 Croisement évité gap V dd E = g J µ B B Interprétation Distance interparticule Potentiels interatomiques aSaS Croisement évité = a S Couplage nul Determination des longueurs de diffusion S=6 and S=4 (Anne Crubellier)


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