Ionisation d'atomes froids pour des applications en nanoscience par faisceaux focalisés Matthieu Viteau 2 Juillet 2013

Ionisation d'atomes froids pour des applications en nanoscience par faisceaux focalisés Faisceaux d’ions focalisés (FIB) Pourquoi des atomes froids Expérience Conclusion

Faisceaux d’ions focalisés (FIB) applications Interactions Ion/Solide Image Pulvérisation Déposition

Source standard (LMIS) Orsay Physics Ga LMIS Vextract≈15 kV J.Gierak – LPN (F) Inconvénients • Dispersion en énergie (~5 eV) → aberrations chromatiques • peu d’atomes possible (Ga, Al, Au, In, Bi) • contamination pour le gallium Avantages • Très petite source (source virtuelle ~50nm) • Grande brillance B≈106 A m-2 sr-1 eV-1 • Bonne durée de vie > 2500 µA.h

Nouvelle source Nouvelle source à partir d’atomes froids Avantages Idée : réaliser un jet d’ions à partir d’une source d’atomes froids pour profiter des propriétés des atomes froids Avantages Faible dispersion en énergie Petits spots possible même à basse énergie Diminution des aberrations chromatiques Possible avec de nombreux atomes Source double Ions/électrons Source standard Atomes froids ionisés

Sources à partir d’atomes froids MOTIS (2008) UCIS(2009) J. McClelland group NIST Gaithersburg E .Vredenbregt and J. Luiten group TUe Eindhoven Autres groups : R. Scholten (Melbourne), C Adams (Durham), D. Comparat (Orsay), F. Fuso (Pisa)…

Notre source Jet de césium fort flux Collimation/compression par laser faible divergence + densité Excitation vers des niveaux de Rydberg puissance laser raisonnable Ionisation en champ ionisation rapide Four à recirculation Laser de collimation Compression MOT-2D Excitation Rydberg Ionisation en champ 7

Le dispositif expérimental

Caractérisation et divergence 1 2 3 4-5 Vitesse longitudinale (m/s) 300 Divergence (mrad) 40 <0.3 Flux (at/s) 3.1013 3.1012 2.1010 Diameter(mm) 10 1.5 0.1

Ionisation : Rydberg + champ Faisceau d’ions Jet atomique Ionisation par champ excitation Rydberg 508-513 nm Rydberg n 62S1/2 62P3/2 852 nm refroidissement Ionisation par champ

Ionisation : Rydberg + champ Faisceau d’ions Jet atomique Ionisation par champ excitation Rydberg 508-513 nm Rydberg n 62S1/2 62P3/2 852 nm refroidissement Ionisation par champ Champ homogène <100 V/cm/cm Ionisation à1000V/cm (n ≈ 30) Ionisation <3 mm après l’excitation (durée de vie des niveaux de Rydberg) Gradient de champ pour l’ionisation: min 1000V/cm/cm – max 30.000V/cm/cm

Jet collimate d’atomes expérience Electrons Jet collimate d’atomes Lasers d’excitation Faisceau d’ions

With Coulomb interactions Charge d’espace z=1 cm x 100 Without interaction With Coulomb interactions

Conclusions Réalisation d’un faisceau d’ion continu à partir d’atomes froids Four à recirculation - flux de 1013 at/s Laser de collimation - divergence < 0.3 mrad Excitation/Ionisation - ions up to 20pA A faire Compression du jet atomique Nouveau four Coupler avec une colonne -> images Théorie Ionisation d’atome de Rydberg en champ Effet des charges Autres possibilités Faisceau d’électrons Source pulsée ...

Acknowledgement Leïla Kime (OP/LAC) Bernard Rasser (OP) Pierre Sudraud (OP) Daniel Comparat (LAC) Andrea Fioretti (Pisa) Collaboration Francesco Fuso (Pisa)