Piégeage d’atomes au voisinage de microcircuits

Piégeage d’atomes au voisinage de microcircuits Composants électroniques de quelques cm² + circuits micrométriques « microgravés » Idée : piéger des atomes froids neutres grâce aux champs B créés par ces courants Historique 95 : proposé 99 : démonstrations expérimentales 02 : condensation de Bose-Einstein Depuis : caractérisation et premières utilisations Sujet à la mode ! Références proposées J.Reichel et al. « Applications of integrated magnetic microtraps » Appl. Phys. B 72, 81-89 (2001) P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)

PLAN PLAN I / Présentation des « Atom chips » II / Cohérence d’un atome piégé PLAN I / Présentation des « Atom chips » II / Cohérence d’un atome piégé

|b’| grand = piège confinant Piège magnéto-optique Refroidissement Doppler Absorption d’un photon = transfert d’impulsion lumière=>matière Émission spontanée isotrope en moyenne Généralisation 3D + effet Doppler Piège magnéto-optique Levée de dégénérescence Zeeman dans un champ quadrupolaire : B=b’(x,y,-2z) Polarisation des lasers : 3 paires de faisceaux contrapropageants de même hélicité Force moyenne de frottement fluide A partir de http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm Force de rappel élastique : piégeage |b’| grand = piège confinant

Champ quadrupolaire 2D avec AXES à 45° Piège magnéto-optique : transposition aux atom chips Champ magnétique quadrupolaire J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002) Superposition du champ créé par un fil infini d’un champ homogène perpendiculaire au fil => Champ quadrupolaire 2D avec AXES à 45° Champ quadrupolaire 2D avec AXES à 45° Fil en U : piégeage également suivant x => champ quadrupolaire 3D (axes à 45°) z0 a I |b’|(z0) a I-1 Effet de la largeur finie des fils J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)

Piège magnéto-optique : transposition aux atom chips 6 faisceaux laser Piège magnéto optique miroir : 2 des 6 faisceaux sont générés par réflexion sur une couche d’or J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002) Polarisations 3 paires de faisceaux contrapropageants de même hélicité D’après J.Schmiedmayer, www.atomchip.net

J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001) Chargement du piège : mode opératoire Du moins confinant au plus confinant Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes Transfert du centre du PMO plus près de la surface du chip Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes Transfert du centre du PMO plus près de la surface du chip Passage adiabatique au champ du courant en U plus champ homogène (« bias ») 108 atomes (Remarque : imagerie par fluorescence ou absorption) J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001) Limitations du piège magnéto-optique But : augmenter Densité dans l’espace réel n Densité dans l’espace des phases nj Limitation : $ nmax nécessité d’un piège sans laser : piège magnétique

J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001) Piège magnétique : description et mise en œuvre expérimentale On éteint les lasers V = g mF mB B Champ quadrupolaire => transition de Majorana (« spin-flip ») Nécessité d’un champ non nul au centre : Ioffe-Pritchard : champ harmonique Remarque : piège magnétique encore hamiltonien… CBE obtenu par refroidissement évaporatif (onde rf) On éteint les lasers V = g mF mB B Champ quadrupolaire => transition de Majorana (« spin-flip ») Nécessité d’un champ non nul au centre : Ioffe-Pritchard : champ harmonique J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002) Images J.Schmiedmayer, www.atomchip.net PMO avec fil en U + bias PM avec fil en Z + bias J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001)

Manipulations plus complexes J.Schmiedmayer, www.atomchip.net J.Reichel, www.mpq.mpg.de/~jar J.Schmiedmayer, www.atomchip.net Transport dans toutes les directions Transport à partir d’un réservoir Séparation et recombinaison => interféromètre a : Transport du CBE sur 1.6 mm en 100 ms avec le tapis roulant magnétique. b : Images de temps de vol après relâchement du piège, en 19.3 ms Structure bimodale après le transport (cigare) c’est encore un condensat ! J.Reichel, www.mpq.mpg.de/~jar

Intérêts des atom chips Forts gradients de champ magnétiques => pièges très confinants Miniaturiser les manip d’atomes froids (horloges, interféromètres : mesures de précision portables) « Démocratiser » les manip d’atomes froids (Pas de forts courants dans des bobines refroidies à l’eau, nécessité d’un vide 100 fois moins poussé) Intégrer d’autres dispositifs sur le même chip (Cavités optiques, électrodes, laser fibrés…) Étudier les interactions atomes/surface (Dépopulation, décohérence, réchauffement dus à la surface Refroidissement par évaporation induite par la surface) Candidat sérieux pour l’information quantique

PLAN I / Présentation des « Atom chips » II / Cohérence d’un atome piégé

Cohérence d’un atome piégé : introduction Atom chips = candidat intéressant pour l’information quantique q-bits (a |0> + b |1> ) N (différent de a |00…0> + b |11…1> !) Question : effet de la surface dans la décohérence de la superposition cohérente d’états Idée : comparer Manip d’atomes froids « standards » : D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions on spin coherence and resonance shifts in a magnetically trapped ultracold gas », PRA 66,053616 (2002) Atom chips : P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)

Description du système Niveaux hyperfins du fondamental 5S1/2 du 87Rb |0> et |1> états piégés dans un piège magnétique (gFmF>0) Transition à deux photons (DmF=2) => oscillations de Rabi Idée : spectroscopie Ramsey (imagerie par absorption)

Décohérence due à la surface ? Sources de décohérence possibles Dépendance de n01 en B (et donc de WRABI) => bruit de phase Fluctuations temporelles de B (courants sur la surface ou labo) T>0 : les atomes bougent, et B(z) => les atomes voient un B(t) Shift collisionnel (dépend de T et de la densité) Surface Pour voir le rôle de la surface : minimiser les autres sources de décohérence et se placer dans les mêmes conditions que D.M.Harber et al.

Minimisation de l’effet Zeeman différentiel E0 et E1 dépendent de B => n01 dépend de B Au 1er ordre, E=gFmFmBB et (gFmF)|0>=(gFmF)|1> : pas d’effet Zeeman différentiel linéaire En réalité : effet Zeeman différentiel quadratique minimisé en B0=3.23 G D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions… », PRA 66,053616 (2002) Choix Bbias=3.23 G

p/2 pulse à WR=w01-(wmw+wrf) fixé Spectroscopie Ramsey Résultats p/2 pulse à WR=w01-(wmw+wrf) fixé Fit : sin²(WRTR) exp(-TR/tC) Incertitude énorme ! Piège macroscopique tC ≈ 2.5 s : comparable La surface semble ne pas jouer de rôle majeur… P.Treutlein et al. : « Coherence … », PRL 92,203005 (2004)

Rôle de d, distance atomes-surface P.Treutlein et al. : « Coherence … », PRL 92,203005 (2004) TR fixé, WR=w01-(wmw+wrf) varie via wmw+wrf => franges + fit => on extrait C(TR) d varie de 5 à 132 mm : grosse amplitude ! C ≈ cte T et n0 varient à chaque point… (?)

Conclusion de l’article de P.Treutlein et al. Contraste indépendant de d à la précision expérimentale Décohérence due principalement à l’effet Zeeman différentiel résiduel (fluctuations de B ≈ 6 mG dans le labo) au shift collisionnel Ouvertures Horloges atomiques (précision 10-13 t -1/2 Hz -1/2 envisageable) Information quantique : tC suffisant pour y croire !

Conclusion Perspectives : Caractérisations plus poussées Mesures de précision (horloges, interféromètres atomiques…) Couplage à d’autres manips de la physique atomique Atom chip = nouvel outil dans le pool des techniques expérimentales de la physique atomique

Références J.Reichel et al. « Applications of integrated magnetic microtraps » Appl. Phys. B 72, 81-89 (2001) P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004) J.Reichel, « Microchip traps and Bose-Einstein condensation » Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002) D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions on spin coherence and resonance shifts in a magnetically trapped ultracold gas », PRA 66,053616 (2002) J.Dalibard : poly d’atomes froids (2003) T.Nirrengarten, « Piégeage d’atomes de Rydberg au voisinage d’un chip supraconducteur », rapport de DEA (2003) E.Young, rapport de stage long de MIP2 (2003) http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm http://www.mpq.mpg.fr/~jar http://www.atomchip.org