Soutenance de thèse de doctorat, 4 mai 2007 Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Groupe d’Optique Atomique Sources atomiques cohérentes dans des pièges optique et magnétique: Réalisation d’un laser à atomes guidé William Guerin Thèse effectuée sous la direction d’Alain Aspect et Philippe Bouyer Soutenance de thèse de doctorat, 4 mai 2007

L’optique atomique Faire avec les atomes ce qu’on fait usuellement avec la lumière: lentilles, miroirs, réseaux, interférences, guides d’onde, lasers... Interférométrie atomique: grande sensibilité aux effets inertiels (gyromètres, gravimètres), constantes fondamentales (ћ/m), etc. Source cohérente pour l’interférométrie atomique ? (Observation d’interférences hors de la teinte plate) 4 mai 2007 Soutenance de thèse

«Source atomique cohérente» ? Faire avec les atomes ce qu’on fait usuellement avec la lumière: lentilles, miroirs, réseaux, interférences, guides d’onde, lasers... Lasers à atomes W. Ketterle Interférences entre deux CBE indépendants Condensation de Bose-Einstein Faisceau (quasi) continu ? 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Les lasers à atomes Aussi à Orsay (2001) - Analogies/différences avec les lasers photoniques ? Meilleurs caractérisation/contrôle ? Principales différences : Interactions fortes entre atomes (collisions). Gravité : Faisceau accéléré, pas de longueur d’onde fixe. 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Plan Dispositif expérimental Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour l’interférométrie atomique 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Production d’un condensat 87Rb (l=780 nm) Ralent. Zeeman PMO, Mélasse Piège magnétique (ferromagnétique) |F = 1, mF = -1> Évaporation RF 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Production d’un condensat Axe du faisceau ralentisseur z x Axe du dipôle (axe long du CBE) Axe du faisceau sonde (imagerie par absorption) Axe vertical : y 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Condensat de 106 atomes en 40 s Condensation Condensat de 106 atomes en 40 s 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Plan  Dispositif expérimental Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour l’interférométrie atomique  Couplage radiofréquence Mode transverse d’un laser à atomes 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Couplage radiofréquence Énergie Équipotentielles magnétiques |F =1, mF =-1> y [Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999)] 4 mai 2007 Soutenance de thèse

En changeant nrf, on choisit la hauteur d’extraction dans le condensat Couplage radiofréquence ECBE Elaser hnrf Couteau RF Énergie Équipotentielles magnétiques Laser à atomes CBE ysag CBE g |F =1, mF =-1> y En changeant nrf, on choisit la hauteur d’extraction dans le condensat |F =1, mF =0> [Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999)] 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Réalisation expérimentale Paramètres typiques Temps de couplage : 10 à 20 ms Flux F ~ 107 at/s (interactions négligeables) Largeur spectrale du CBE : D=2mgR/h = 14 kHz 2 mm Fluctuations du biais coup sur coup : ~1 mG 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Interférences entre deux lasers dnrf = 1 kHz dnrf = 2 kHz |F =1, mF =-1> ECBE |F =1, mF =0> CBE Elasers hnrf Énergie y 2 fréquences d’extraction 2 lasers à atomes issus du même condensat Battements [Bloch et al., Nature 403, 166 (2000)] 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Effet des interactions entre atomes Interactions avec le condensat-source: potentiel répulsif (parabole inversée de courbure wPM) V z Vint y Vint - mgy ysag Vint = gcoll |yCBE|2 effet de lentille divergente Divergence déjà observée dans le groupe [Le Coq et al., PRL 87, 170403 (2001)]. Notre expérience : confinement plus fort (wPM/2p = 280 Hz) et imagerie selon l’axe long (x). Accumulation de rayons sur les bords: « caustiques » [Busch et al., PRA 65, 043615 (2002)] 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Mode transverse d’un laser à atomes: observations expérimentales Phys. Rev. Lett 96, 070404 (2006) 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Mode transverse d’un laser à atomes: caractérisation Application des outils de l’optique pour caractériser le faisceau: En régime paraxial : matrices ABCD  « loi de Rayleigh » faisant intervenir le facteur de qualité M² du faisceau Phys. Rev. Lett 96, 070404 (2006) 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Plan  Dispositif expérimental Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour l’interférométrie atomique   Condensation dans le piège hybride Couplage et propagation dans le guide Mode transverse 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Vaincre la gravité Guide magnétique Guide optique Fils macroscopiques Film magnétique Fils microscopiques (« puces à atomes ») Guide optique Faisceau gaussien très désaccordé vers le rouge (« pince optique ») Faisceau de Laguerre-Gauss désaccordé vers le bleu Fibre creuse Puce à atomes du groupe Piégeage dipolaire indépendant du sous-niveau magnétique mF 4 mai 2007 Soutenance de thèse

La pince optique naxial = 3 Hz nradial = 360 Hz Piège dipolaire très désacordé (YAG, 1064 nm) P = 1 W max Waist (1/e2) = 23 µm Très anisotrope (zR = 3 mm) Valeurs typiques naxial = 3 Hz nradial = 360 Hz 4 mai 2007 Soutenance de thèse

La pince optique naxial = 3 Hz nradial = 360 Hz 3.106 atomes à 4 µK Piège dipolaire très désacordé (YAG, 1064 nm) P = 1 W max Waist (1/e2) = 23 µm Très anisotrope (zR = 3 mm) Valeurs typiques naxial = 3 Hz nradial = 360 Hz 4 mai 2007 Soutenance de thèse

La pince optique Axe du faisceau ralentisseur et de la pince optique z x Axe du dipôle Axe du faisceau sonde (imagerie par absorption) Axe vertical : y 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz Condensation dans le piège hybride Confinement longitudinal assuré par le piège magnétique Confinement transverse dû au guide optique (360 Hz) Évaporation dans le PM seul jusqu’au seuil Attention aux pertes à 3 corps Décompression du PM jusqu’à 35 Hz Évaporation le long de l’axe du guide optique Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Condensation dans le piège hybride Condensat de 1 à 2 x 105 atomes 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Couplage vers le guide PO PM mF = -1 Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz PO PM mF = -1 hnrf mF = 0 Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz guide seul En résumé : CBE dans le piège hybride + couplage RF = laser à atomes dans le guide 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Laser à atomes guidé Paramètres typiques tlaser = 100 ms Flux F ~ 105 at/s n1d ~ 30 at/µm (interactions faibles) 1.4 mm Efficacité optimale : tous les atomes extraits sont injectés dans le guide Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006). 4 mai 2007 Soutenance de thèse

wop  wZQ  3 Hz  Potentiel linéaire, accélération réglable Potentiels et couplage RF g z hrf Énergie z Elaser |F=1, mF=-1> ECBE zE CBE Potentiel dipolaire Pente contrôlée par la position du waist de la pince optique |F=1, mF=0> Effet Zeeman du 2nd ordre g wop  wZQ  3 Hz  Potentiel linéaire, accélération réglable 4 mai 2007 Soutenance de thèse

wop  wZQ  3 Hz  Potentiel linéaire, accélération réglable Potentiels et couplage RF g z hrf Énergie z Elaser |F=1, mF=-1> ECBE zE CBE Potentiel dipolaire Pente contrôlée par la position du waist de la pince optique |F=1, mF=0> Effet Zeeman du 2nd ordre wop  wZQ  3 Hz  Potentiel linéaire, accélération réglable 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Accélération et longueur d’onde v0 = 9 ± 2 mm/s , - aeff = 0.36 ± 0.04 m.s−2 - aeff = 0.07 ± 0.06 m.s−2 (i.e. négligeable) ldB  500 nm 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Effet des interactions g z |F=1, mF=0> hrf Énergie z Elaser |F=1, mF=-1> ECBE zE CBE Champ moyen du CBE Largeur du couplage donnée par µ  3 kHz Vitesse initiale donnée par les interactions avec le CBE. 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Mode transverse ? Guide intrinsèquement multimode: U0 >> ħ w (U0/h ~ 0.3 MHz) changent aussi le potentiel ressenti par les atomes du laser. Les interactions augmentent la taille du CBE : sCBE = 1.1 µm > sHO = 0.6 µm  projection sur plusieurs modes ? Les potentiels transverses ressentis par les 2 états ne diffèrent que par le champ magnétique  négligeable à l'échelle (transverse) du CBE 4 mai 2007 Soutenance de thèse

 Suivi adiabatique du mode fondamental ? Mode transverse ?  Couplage vers le mode fondamental transverse Mais après: propagation jusqu'au guide...  Suivi adiabatique du mode fondamental ? z = 0 z = 0.8 Rz z = 0.9 Rz z > Rz 4 mai 2007 Soutenance de thèse

 Suivi adiabatique du mode fondamental ? Mode transverse ?  Couplage vers le mode fondamental transverse Mais après: propagation jusqu'au guide...  Suivi adiabatique du mode fondamental ? OUI ! Propagation suffisamment lente, telle que le critère d'adiabaticité est vérifié (aussi simulation GP). 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Énergie transverse mesurée (par temps de vol) : Mode transverse: expérience Temps de vol (ms) Énergie transverse mesurée (par temps de vol) : E┴  5 ћw Limitations techniques : Adaptation de mode imparfaite si le guide n’est pas parfaitement centré sur le piège magnétique. Excitations du condensat ? Présence d’un peu d’atomes thermiques ?  En cours d'amélioration 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Conclusion Réalisation d'un laser à atomes guidé Contrôle de la direction de propagation (au µrad près !) Efficacité optimale d'injection & adaptation de mode favorable. Suppression de l'accélération: longueur d'onde grande et fixe au cours de la propagation, ldB = 500 nm. Régime d’interaction perturbative (asn1d << 1), et possibilité de jouer sur le taux de couplage. 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Perspectives Court terme Quelques améliorations du laser à atomes guidé (en cours): Faisceau monomode. Meilleure stabilité magnétique. Largeur spectrale mesurée à l’aide d’une barrière de potentiel (filtre passe-haut). Longueur d'onde encore plus grande. 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Perspectives Et ensuite... Étude des phénomènes de transport quantique Grande longueur d'onde (transmission tunnel...) Finesse spectrale (résonance...) Peu d'intéraction 1 D Étude des phénomènes de transport quantique Le laser à atomes guidé est LA source idéale 4 mai 2007 Soutenance de thèse

(in order of appearance) Remerciements: l’équipe Pince Starring : (in order of appearance) Alain Aspect Philippe Bouyer Yann Le Coq (01-04) Marie Fauquembergue (01-04) Jean-Félix Riou (02-06) John Gaebler (2005) Vincent Josse (05-...) Juliette Billy (06-...) Zhanchun Zuo (06-...) Frédéric Moron André Villing 4 mai 2007 Soutenance de thèse

Remerciements(suite) L’ensemble du groupe d’optique atomique Les TP de SupOptique L’ensemble des services techniques et administratifs de l’Institut d’Optique Ma bourse: 4 mai 2007 Soutenance de thèse