 Collisions froides entre atomes et molécules dans un piège dipolaire  Dynamique de l’interaction dipôle-dipôle dans un gaz de Rydberg froid Collisions et interactions froides : Nassim ZAHZAM, Thibault VOGT, Marcel Müdrich, Daniel COMPARAT, Pierre PILLET Séminaire interne LKB 03/02/2006

Collisions froides entre atomes et molécules dans un piège dipolaire

 Etudes collisionnelles sur le césium : Interactions molécule-atome, molécule-molécule  Validation de modèles théoriques  Refroidissement évaporatif moléculaire  BEC moléculaire Piégeage de molécules froides Motivations  Nécessité d’un piège mixte atomique et moléculaire Piège magnétique (2002 au LAC) : - Piégeage uniquement de molécules avec un moment magnétique (potentiel triplet pour Cs 2 )  Piège dipolaire CO2 : - Piégeage indépendamment de l’état interne des particules - Densité de particules trop faible pour étudier les collisions inélastiques - Densité deux ordres de grandeurs plus élevée que dans un piège magnétique  Obtenir un échantillon de molécules froides

CO2 (~ 10,6 μm) >> at (~ 0,85 μm) Laser CO2 de forte puissance (~ 110 W) très désaccordé vers le rouge des transitions énergétiques :  Particules attirées vers les régions de forte intensité  Généralisable à toute particule polarisable 2 α stat (Cs) ~ α stat (Cs 2 ) Potentiel de piégeage :  Piège conservatif pour Cs et Cs 2 4’ - Piège dipolaire purement moléculaire 5 - Photoionisation et détection 3 - Photoassociation et formation de molécules froides non conservatif, non applicable au piégeage de molécules Lasers MOT Lasers repompeurs 1 - Piège Magnéto-Optique Principe de l’expérience 2 - Piège dipolaire atomique Laser CO 2 (piège dipolaire) Laser TiSa (PA) 4 - Piège dipolaire atomique et moléculaire Laser Pulsé (PI) E Galettes microcanaux Cs 2 + Cs + Cs ~ 850 nm

Piège dipolaire moléculaire :  Profondeur ~ 1,5 mK  Fréquences : 840Hz / 24Hz  N mol ~ 10 4  T mol ~ 40 μK 6s 1/2 6p 3/2 h  - h ’ 0 = h  Caractéristiques du piège dipolaire CO 2  Puissance ~ 110 W  Waist ? Décalage Stark  des raies de PA dans le piège dipolaire : Waist ~ 84 μm  Ajustement des raies de PA : T at ~ 40 µK dans le piège +  Analyse des raies de PA dans le piège dipolaire atomique  Waist ~ 84 μm Piège dipolaire atomique :  Profondeur ~ 0,9 mK  Fréquences : 890Hz / 25Hz  N at ~  T at ~ 40 μK

Piège dipolaire d’atomes Cs Durée de vie du piège atomique: 6s f=4 f=3 E HF = k B x 440 mK Atomes f=4 instables vis-à-vis des collisions binaires inélastiques avec changement de structure hyperfine :  Décroissance non exponentielle Atomes f=3 stables vis-à-vis des collisions binaires inélastiques :  Décroissance exponentielle Densité atomique initiale ~ at/cm -3 Durée de vie atomique due au gaz résiduel : ~ 2,7 s 

Piège dipolaire de molécules Cs 2 Molécules seules Molécules + atomes Atomes f=3 Mise en évidence de collisions inélastiques molécule-atome Evolution du nombre de particules dans le piège :

Piège dipolaire de molécules Cs 2 Taux de c ollisions inélastiques Molécule-Atome Nbr. d’atomes (x10 5 ) Durée de vie mol. (ms) Evolution du nombre de molécules dans un piège mixte :  Taux de collisions inélastiques molécule-atome ~ 2,6 x cm 3 /s Taux élevé, proche du taux atome-atome  BEC moléculaire instable

Etude en changeant l’état photoassocié (v’,J’)  état de la molécule piégée différent Piège dipolaire de molécules Cs 2 Collisions en fonction de l’état interne moléculaire (v,J) Etudes théoriques  taux de collisions décroient lorsque le niveau vibrationnel des molécules piégées diminue  PA vers v’=6 O g - (p 3/2 ) → v=33-47 du triplet  PA vers v’=103 O g - (p 3/2 ) → v=7-9 du triplet  PA vers O u + (p 1/2 ) → v ~ 132 du singulet Taux de collisions ~ identiques - Désaccord avec les travaux théoriques ? - En accord avec les résultats expérimentaux obtenus dans le groupe de M. Weidemüller Temps de piégeage (ms) Nombre de molécules Piège : molécules + atomes

Piège dipolaire de molécules Cs 2 Durée de vie d’un piège purement moléculaire Estimation du taux de collisions ~ cm 3 /s  Collisions inélastiques molécule-molécule : Incompatible avec l’obtention d’un BEC moléculaire stable Néanmoins nombre de molécules trop faible pour limiter appréciablement la durée de vie du piège moléculaire  Collisions molécule-gaz chaud : Comparaison avec piège magnétique moléculaire  Pas d’influence du CO2 sur sur la durée de vie moléculaire Molécules seules Atomes f=3  durée de vie limitée par le gaz résiduel

 Formation de molécules dans l’état (v=0,J=0) : PA Raman, impulsions façonnées  Détermination de la durée de vie de l’état triplet de plus basse énergie  Détection : Photoionisation moléculaire à 1 photon  augmentation de l’efficacité de détection Perspectives : Nature bosonique de l’atome de césium :  taux de collisions inélastiques très élevés  Echec de BEC moléculaires à partir de bosons (Na, Rb, Cs) Piège dipolaire de molécules Cs 2 Conclusions et perspectives Solutions théoriques proposées : diminuer l’énergie interne des molécules froides piégées  Taux de collisions semblent indépendants des niveaux moléculaires étudiés  Solution : molécules (v=0, J=0) → Collisions inélastiques énergétiquement interdites  Section efficace de collisions avec le gaz résiduel 4 fois plus importante pour des molécules froides que pour des atomes froids Atomes fermioniques ( 40 K, 6 Li) :  Taux de collisions deux ordres de grandeur inférieurs  BEC moléculaires avec durées de vie jusqu’à 10 s  Taux de collisions inélastiques molécule-atome (= 2,6 x cm 3 /s ) et molécule-molécule (= 1,0 (5) x cm 3 /s ) très élevés

Dynamique de l’interaction dipôle-dipôle dans un gaz de Rydberg froid

Atomes de Rydberg Atomes avec électron très éloigné (n >20) :  Taille énorme  2 n 2 a 0 ~ 0,1 μm (n=30)  Fortes interactions  Dipôle électrique important  n 2 q e a 0 ~ 1000 D  Champ d’ionisation faible  n -4 ~ 200 V/cm  Facile à détecter  Durée de vie longue  n 3 ~ 20 μs  Temps de cohérence long

Atomes de Rydberg Etats exotiques de la matière Molécules de Rydberg (trilobite) Information quantique Astrophysique Chaos quantique Transition Rydberg ↔ plasma Intérêts et applications Porte de phase Blocage dipolaire

Rydberg chauds vs Rydberg froids  Haute température (~ 300 K) : -Temps entre 2 collisions (10 ns) << Durée de vie (20 μs) - E int << E c - Système décrit par des collisions binaires  Basse température (~ 100 μK) : - Temps entre 2 collisions (600 μs) >> Durée de vie (20 μs) - E int (~ 15 MHz) > E c (~ 2 MHz) - Interactions statiques à N corps Vision d’un gaz de Rydberg gelé en interaction Jusqu’à quel point … v

Transfert résonant d’énergie Interaction dipôle-dipôle E ns (ε) Champ électrique Energie ε res E (n+1)s (ε) E np (ε) Diagramme Stark : 2 E np (ε res ) = E ns (ε res ) + E (n+1)s (ε res ) Transfert résonant d’énergie pour ε = ε res : Transfert par interaction dipôle-dipôle V dd : np (n+1)s ns np V dd np + np ↔ ns + (n+1)s Création d’une superposition cohérente de 2 états à 2 atomes : | +   | np,np  + | ns,(n+1)s  | -   | np,np  - | ns,(n+1)s  ε res

Spectrosocopie haute résolution But :  Résoudre spectroscopiquement l’interaction dipôle-dipôle V dd ~ 10 MHz  Il faut une spectroscopie haute résolution pour sonder le gaz de Rydberg en interaction  Utilisation d’un laser Ti:Sa continu de largeur spectrale 1 MHz + Laser à colorant pulsé large bande (2 GHz) Mise au point de deux schémas de spectroscopie pour sonder les interactions entre atomes de Rydberg  Etude de la dynamique de cohérence de l’interaction

2 eme schéma : 1 er schéma : Spectrosocopie haute résolution Deux schémas : spectroscopie de dépompage Schéma Continu-Continu - Grande efficacité de dépompage - Nombre d’atomes excités réduit Schéma Pulsé-Continu - Excitation d’un grand nombre d’atomes - Efficacité de dépompage réduite

Laser pulsé Galettes Micro-canaux Laser Ti:Sa Dispositif expérimental : Spectrosocopie haute résolution Piège Magnéto-Optique : ~ 10 7 atomes densité ~ cm -3 température ~ 100 μK Atomes de Rydberg : densité ≤ 10 9 cm -3 T ~ 100 μK

Oscillation cohérente entre les états s et p : Dépompage des atomes p et s ε =43,93 V/cm Réaction de transfert résonant considérée : 25p + 25p ↔ 26s + 25s avec ε res = 44,03 V/cm Dépompage des états p d’un gaz de Rydberg s et p : Rydberg s également dépompés Rydberg s retransformés en p puis dépompés | ψ   | 25p,25p  ± | 25s,26s  ε < ε res ε > ε res ε =44,13 V/cm Décalage de la raie de dépompage du signal s par rapport à celle du signal p

Cohérence du couplage dipolaire Etat répulsif vs état attractif Etude du décalage de la raie de dépompage du signal s en fonction du champ électrique : p,25p 25s,26s  Cohérence de l’interaction préservée pour l’état répulsif +  Dépompage de l’état attractif non détecté :  collisions avec changement des états atomiques (non détectés) -  Mesure directe du couplage dipolaire responsable du croisement évité : V dd ~ 15 MHz Pendant combien de temps ? V th ~ 0,5 MHz  effets à N corps

Cohérence du couplage dipolaire Perte de cohérence Signal s Décohérence du couplage à l’échelle de la microseconde  Effet à N Corps : Migration d’excitation Signal s (sans dépompage)

Effet à N corps Migration d’excitation Deux types de réactions dipolaires possibles :  Transfert résonant d’énergie : (Résonante pour un champ électrique particulier) p + p → s + s’  Migration d’excitation : (Toujours résonante) p + s → s + p p + s’ → s + p  Les produits de réactions s et s’ sont évacués et ne peuvent plus être dépompés : source de décohérence (T) (M) (T) (M) (T) (M)

Conclusion  Caractérisation de la cohérence d’une paire d’atomes en interaction dans un ensemble d’atomes de Rydberg froids  Etude de la dynamique de cohérence pour des atomes en interaction répulsive : - Cohérence préservée sur ~ 1 μs - Décohérence induite par les effets à N-corps (migration d’excitation)  Mise en évidence du mouvement induit par les forces dipolaires : gaz de Rydberg gelé VS gaz de dipôles - Collisions ionisantes ? - l-mixing ? Atomes dans l’état attractif   Difficultés quant à l’utilisation d’atomes de Rydberg pour l’information quantique : mouvement induit + effets à N corps