Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg Thèse de Doctorat Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg Nouvelle expérience au laboratoire Aimé Cotton Thèse en cotutelle avec l’Université d’Hanovre (IQO, Décélération Stark de SO2) Nicolas SAQUET Mercredi 16 Décembre 2009

Plan Molécules froides : motivations Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats

Plan Molécules froides : motivations Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats

Intérêt des molécules froides Degrés de liberté internes et externes froids Externe: lié à la distribution en vitesse du gaz Interne: peu d’états peuplés Mesures très précises: Spectroscopie de haute résolution (Meijer ND3) Durée de vie (Meijer OH) Test de physique fondamentale: Variation de constantes fondamentales avec le temps (Ye OH) Moment dipolaire électrique de l’électron (DeMille PbO, Hinds YbF) Interaction dipôle-dipôle (Jin KRb) Nouveaux systèmes Applications à l’information quantique, … Chimie froide: collisions à basse énergie (van de Meerakker OH) contrôle de la dissociation avec un champ extérieur T visées Sub K

Produire des molécules froides À partir d’atomes froids (T < 100 µK) diatomiques homonucléaires et hétéronucléaires Refroidissement sympathique (T < 1K) molécules paramagnétiques Filtre en vitesse (T~1K) molécules polaires Décélération d’un jet supersonique pulsé (T < 1K)

Jet supersonique Ø D Distribution thermique Jet supersonique Caractérisation: vitesse moyenne, températures transverse et longitudinale

Décélération d’un jet supersonique Décélérateur Stark (espèces polaires dans des gradients de champ électrique): Meijer (OH,NH,ND3,CO),Tiemann (SO2), Hind (YbF,CaF), Ye (OH) Décélérateur Stark optique: Barker (C6H6) Décélérateur Zeeman: Merkt (H,D), Raizen (Ne*,O2) Décélérateur Stark pour espèces dans un état de Rydberg: Merkt (Ar,H,H2)

Décélération Stark pour espèce polaire Effet Stark: SO2: =1.6 Debye Force exercée par un champ électrique inhomogène f/m≈ 105-106 g Pression de radiation lors du refroidissement laser 103-104g

Décélération Stark SO2 dans Xe Ei ≈ 218 cm-1 ∆E=0.78 cm-1/étage 2mm Ei ≈ 218 cm-1 5.5mm ∆E=0.78 cm-1/étage HV=10kV, =400ns 326 étages, L=1.8 m Moment dipolaire d’une molécule polaire  quelques Debye

Etats de Rydberg (I) Etat électronique très excité Champ d’Inglis-Teller Na Etat électronique très excité Pour l’atome d’hydrogène, les niveaux d’énergie d’un électron dans un état de Rydberg est donné par: Particule en champ nul Particule en champ électrique k varie par pas de 2 Effet Stark Moment dipolaire ≈1000 Debye pour n=18

Etats de Rydberg (II) Intérêt d’utiliser les états de Rydberg pour la décélération Stark Compromis entre le moment dipolaire et le champ électrique d’Inglis-Teller Grande sensibilité au champ électrique Versatile: atomes et molécules

Décélérateur Stark-Rydberg Force exercée par un champ électrique inhomogène sur un dipôle Moment dipolaire électrique d’un atome de Rydberg: ≈1000 Debye pour n=18 Champs électriques plus faibles et façonnables temporellement Décélération en continu Durée de vie des états de plus grand moment orbital: n5 Transition avec le sodium Vanhaecke et al. J. Phys. B 38 S409 Limites: Mélange d’états (Champ d’Inglis-Teller) Durée de vie des états

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Réalisation du montage expérimental 2007 2009

L’expérience Production du jet Expériences Pulsé supersonique P≈10-8mbar

Montage expérimental Détection par fluorescence induite par laser Laser à colorant continu 589 nm Détection par fluorescence induite par laser Cible de sodium en rotation 15 cm Vanne pulsée (10-50 Hz) Pression du gaz porteur ~1-10 bar 10 cm Zones de détection Laser d’ablation Nd:YAG 532nm 1.0mJ/pulse

Temps de vol des atomes de sodium Mesure dans la première zone d’interaction Pression du gaz porteur: 3 bars

Température longitudinale Mesure dans la première zone d’interaction Gaz porteur: Argon Pression: 6 bars 10 K 60 m/s

Température transverse Mesure dans la seconde zone d’interaction par effet Doppler Structure hyperfine Δν(F=0,F=3)≈ 108 MHz 100 MHz S23=0.7 S22=0.25 S21=0.05 Gaz porteur: Argon Pression: 6 bars

Caractérisation du jet Etude et optimisation du jet avec la pression du gaz porteur et l’énergie du laser d’ablation Effet de chauffage lors de l’ablation Argon ( v ~ 650 m/s) Température longitudinale ~5K Température transverse ~1K Densité ~ 5.108 atomes/cm3 estimée à partir du signal de fluorescence

Excitation vers un état de Rydberg Détection sélective des états de Rydberg par impulsion de champ électrique ionisante

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Atome isolé et paires d’atomes de Rydberg en champ électrique Na Suivi adiabatique 1 état de Rydberg Vliegen et al. PRL 92 033005 Paires d’atomes Atomes suivent adiabatiquement les états Stark Paires d’atomes dans le jet en interactions: étude pour des configurations particulières (Transitions LZ) Exemple de 48s+48s Collisions Résonantes Transfert excitation

Croisement évité pour une paire d’atomes Na Passage adiabatique si:

Manipulation des états de Rydberg

Séquence expérimentale 1 cm Excitation Ionisation ns δt np τ Excitation P3

Mise en évidence expérimentale 2 passages à Chaque point correspond à 1000 mesures Un barre d’erreur correspond à la dispersion de 10 de ces mesures Durée de l’impulsion 1.2µs Paires quasi-gelées Gallagher et al. PRA 25 1905 (1982) Collisions résonantes Transitions Landau-Zener

Modèle Landau-Zener Distribution uniforme des atomes de Rydberg dans le nuage Atomes ayant un plus proche voisin Proportion varie en

Mise en évidence expérimentale 2 passages à Chaque point correspond à 1000 mesures Un barre d’erreur correspond à la dispersion de 10 de ces mesures Durée de l’impulsion 1.2µs Paires quasi-gelées Gallagher et al. PRA 25 1905 (1982) Collisions résonantes Transitions Landau-Zener

Autres résonances 4% des atomes ont un plus proche voisin à moins de r0 7% des atomes ont un plus proche voisin à moins de r0

Influence de la durée de l’impulsion δt

Influence de la vitesse de passage Proportion d’atomes ayant un plus proche voisin à moins de r0 Dépendance en Bon accord théorie-expérience

Conclusions sur les transitions Landau-Zener Mise en évidence de transitions adiabatiques pour des paires quasi-gelées Efficacité des transitions dépend de la distance entres atomes plus proches voisins et de la vitesse de passage Perspectives: Interférométrie, intrication Pour n~15-20 très peu de transitions Ne devrait pas perturber la décélération

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Principe du décélérateur Stark-Rydberg Force exercée par un champ électrique inhomogène sur un dipôle ≈1000 Debye pour n=18 Champs électriques façonnables temporellement Décélération en continu

Prototype Grilles de détection

Modélisation Paramètres ajustables: état de Rydberg, V, t0, τ Modélisation 3D sous Simion (v7.0) Champ sur l’axe du jet sinon V0=20V V=3000V t0=8.4µs après excitation τ=3.4µs sinon Atomes au-delà du champ d’Inglis-Teller: perdu pour la décélération Paramètres ajustables: état de Rydberg, V, t0, τ

Résultats des simulations pour une particule Vitesse initiale 300 m/s V0= 20V t0 ajusté de telle sorte que Optimisation en ajustant {V,t0,τ}

Résultats des simulations pour une particule V0= 20V et V=3000V t0 ajusté de telle sorte que Influence de la vitesse initiale V0= 20V et V=3000V t0 ajusté de telle sorte que Vitesse initiale 300 m/s Influence de l’état initial Efficacité du décélérateur dépend principalement de l’état de Rydberg excité

Vol d’un nuage d’atomes V= 3000 V t0=texcitation + 8.4 µs V0= 20 V Vitesse initiale: 300 m/s Δv longitudinale: 15 m/s Δv transverse: 6 m/s Nette séparation entre les deux nuages d’atomes

Montage pour la première expérience

Expérience de décélération Excitation P2 P4 Ionisation Tensions appliquées 3000 V 0 V Temps

Décélération: première expérience 8 m/s 20d Xe 320 m/s Encourageant !

Conclusions sur la décélération Simulations 3D réalistes Processus très efficace: 50 cm-1 en 4 µs sur 3 mm Décélération plus efficace pour n≈17-20 Premières expériences encourageantes Mise en œuvre du prototype prochaine

Conclusions Réalisation et caractérisation d’un jet supersonique d’atomes de sodium Excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes proches voisins dans le jet Dessin et simulation d’un premier prototype de décélérateur Première évidence de décélération

Perspectives Tester la cohérence lors d’une transition Landau-Zener Décélérateur avec plus d’électrodes mais compact pour arrêter les atomes de sodium Détection, excitation et décélération d’autres espèces (Na2, NaH, O, …) …

Merci !

Effet de la pression Énergie du laser d’ablation: 0.6 mJ/pulse

Étude de l’énergie du laser d’ablation Pression du gaz porteur: 6 bars

Excitation vers un état de Rydberg

Excitation à deux couleurs Détection sélective des états de Rydberg par impulsion de champ électrique ionisante

Carte Stark expérimentale

Interaction dipôle-dipôle 1) Collisions résonantes Gallagher et al. PRA 25 1905 (1982) Na Jet thermique (300K) Collisions binaires

Interaction dipôle-dipôle 2) Transfert résonant d’excitation Cs Mourachko et al. PRL 80 253 (1998) Piège magnéto optique (100µK) Gaz gelé N corps