Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS Electrodynamique quantique en cavité micro-onde 1 - But de l’expérience 2 - Présentation du dispositif expérimental 3 - Les échelles de temps de l’expérience 4 - La cavité et le champ électromagnétique 5 - L’atome de Rydberg 6 - Interaction atome-champ électromagnétique 7 - Mesure de l’effet Zénon 7-1 Procédure d’essai 7-2 Résultats d’essai 8 - Discussion des résultats 8-1 hypothèse hypothèse 2 P. Bernier 1

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 1 - But de l’expérience: Observer la croissance d’un champ EM micro-onde cohérent dans une cavité ( à l’échelle de quelques photons) - en alimentant progressivement la cavité (initialement vide) par une source EM extérieure - en faisant des mesures successives (rapprochées ou non) de l’état du champ - ces mesures étant non « destructives » pour observer l’évolution du champ P. Bernier 2 Schéma général Nota: 1- Ce dispositif a permis d’effectuer différentes expériences de mécanique quantique interaction rayonnement-matière, intrication, etc 2- Cet exposé s’appuie sur la thèse de Julien BERNU, les cours de Serge HAROCHE et de Claude FABRE

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 2- Le dispositif expérimental Il comporte: 2-1 la cavité micro-onde résonante 51, Ghz (4,5λ) de finesse très élevée ( confinement d’un photon ~ 130 ms) 2-2 une source EM classique, ajustable, très stable, donnant des impulsions brèves, reliée à la cavité par guide d’onde 2-3 un système de mesure de l’état du champ EM: - utilisant des atomes de Rydberg, traversant la cavité à faible vitesse, préparés dans 1 des 2 états retenus : I g> ou I e>, dont la fréquence de transition est ~ 51 Ghz, et dont l’état sera modifié par interaction avec le champ régnant dans celle-ci. (effet de déphasage du dipôle atomique) P. Bernier 3

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 2- Le dispositif expérimental (suite) 2-3 un système de mesure: - utilisant des atomes de Rydberg, et comportant - un interféromètre de Ramsey permettant de caractériser ce déphasage du dipôle atomique - un détecteur de l’état final de chaque atome, cad, I e> ou I g > ( 1 bit) P. Bernier 4 Nota: Comme dans tout phénomène quantique, il s’agit d’évaluer des probabilités d’occurrence, donc de faire de nombreuses mesures répétitives, (ici avec un grand nombre d’atomes ),pour obtenir une Valeur moyenne de la grandeur recherchée,( ici le champ dans la cavité), par traitement ultérieur.

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 3- Les échelles de temps de l’expérience Cette expérience est conditionnée par plusieurs temps caractéristiques: - le temps de parcours d’un atome dans le dispositif v~300 m/s L ~ 30 cm Tvol ~ 1 ms - la durée de vie moyenne de l’atome, cad de changement d’état e en g ou l’inverse (émission spontanée due aux fluctuations du vide) - en espace libre ~ 30 ms - dans la cavité vide ~ 20 μs ( fréquence osc. Rabi dans vide 50 Khz) - la durée de vie d’un photon dans la cavité ~ 130 ms Cette longue durée de vie d’un état du champ est essentielle pour la précision des mesures, dont la durée peut atteindre par ex. 72 ms pour un nombre d’atomes détectés de 200. P. Bernier 5

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 4- La cavité et le champ EM 4-1 Cavité: -obtention d’un mode précis 51~ Ghz - grande finesse obtenue par géométrie/réflectivité ( supraconducteur-0,8°k) - pas de photons parasites, thermique, externes 4-2 Champ EM -- Rappel sur le champ Cohérent: 2 représentations: a -sur la base des états de Fock prob=f(nb de photons) b – dans le plan de Fresnel champ complexe (α) avec fluctuations du vide -- en cas d’injection de champ dans la cavité vide, α croit linéairement -- en cas d’injections successives brèves(Δt), en phase, α croit linéairement avec ΣΔt --, nb moyen de photon croit comme (α²), donc comme t² Selon l’axiome de la MQ, une mesure projette le champ dans 1 état de Fock, le résultat d’une séquence de mesure est un nb moyen de photons. P. Bernier 6

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 5- L’atome de Rydberg sonde très sensible au champ EM externe 2 états I g > et I e > bien caractérisés -- Dans la cavité vide de photons, la transition g → e ou e → g, cad absorption ou emission d’un photon, résulte d’une fluctuation du vide( oscillation de Rabi) Exemple de mesure de l’osc. de Rabi Ω -état initial des atomes I e > - Prob. des états finaux I e > en fonction du temps d’injection du champ -- Dans la cavité avec n photons, la fréquence de Rabi est multipliée par √ n P. Bernier 7

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 6- L’interaction atome – champ 2 types d’interaction: a- cavité accordée sur la fréq. de transition atomique Il y a échange d’énergie entre champ et atome f(durée du champ/R1 ou R2) Cas utilisé dans l’interféromètre de Ramsey (cavités R1 R2) b- Cavité désaccordée ( désaccordδ) Cas utilisé dans la cavité principale Si la cavité contient n photons, le dipôle atomique subit un déphasage linéaire en n, et proportionnel au temps de passage, sans évolution du nb de photons Ф= Ω² t/δ Le décalage des franges permet de mesurer le nb de photons de façon non- destructive. En choisissant Ф=45°, on peut distinguer de 0 à 7 photons P. Bernier 8 Déphasage R1/R2 Prob d’état final

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 9- Mesure de l’effet Zénon (croissance du champ dans la cavité) 9-1 Procédure de mesure P. Bernier 9 Sans mesures rapprochées Avec mesures rapprochées

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 9- Mesure de l’effet Zénon (croissance du champ dans la cavité) 9-2 Résultats de mesure : Nombre moyen de photons dans la cavité P. Bernier10 Sans mesures intermédiaires Avec mesures rapprochées Croissance relaxation La croissance quadratique du nb de photons indique la possibilité dé un effet Zénon

Effet ZENON quantique Présentation de l’expérience de l’ENS 9- Mesure de l’effet Zénon (croissance du champ dans la cavité) 9-3 Discussion des résultats - 1° hypothèse: Chaque mesure projette le Champ dans un état de Fock ( phase qcq) l’évolution cohérente devient une marche au hasard que l’on peut calculer ( courbe ci-contre) Léger désaccord avec l’expérience. -2° hypothèse: La phase ne serait pas totalement « brouillée ». On peut aussi interpréter l’interaction atome-champ comme un petit déplacement de la fréquence de la cavité pendant le transit de l’atome. Ceci entraine un petit déphasage du champ dont l’effet a été évalué ( courbe grasse), qui est en meilleur accord avec l’expérience.. P. Bernier11