Soutenance de thèse de doctorat, 27 Juin 2003 Collisions ionisantes : un nouveau diagnostic pour les condensats de Bose-Einstein d’hélium métastable Olivier Sirjean

La condensation de Bose-Einstein k B T k B T L d = n-1/3 Longueur d’onde de de Broglie thermique : Critère : n L3 ~ 1 , avec   1/T 1/2

Pourquoi obtenir un CBE ? Source cohérente d’ondes de matière pour l’Optique Atomique ("laser à atomes").  interférences, battements … Fluide quantique dilué et au-delà,...  modélisation simple des interactions .  lien avec la superfluidité . 1995 : Première observation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein dans un gaz dilué de rubidium. Prix Nobel de Physique 2001.

Particularités de l’hélium métastable 4He dans l’état 2 3S1 (He*). Originalité de l’He* He* e- 1 canal du MCP 2 kV He+ 20 eV d’énergie interne  détection électronique rapide et efficace.  collisions Penning. He* + He*  He + He+ + e- Observation des ions produits par le condensat  nouveau diagnostic.

Particularités de l’hélium métastable 4He dans l’état 2 3S1 (He*). Originalité de l’He* He* 20 eV d’énergie interne  détection électronique rapide et efficace. e- 1 canal du MCP He+  collisions Penning. He* + He*  He + He+ + e- Observation des ions produits par le condensat  nouveau diagnostic.

{ { Atomes métastables He* Ne* He*, Ne*, Ar*, Kr*, Xe* C. Westbrook, A. Aspect IOTA, Orsay Australie Allemagne France Japon Pays Bas USA He* M. Leduc, C. Cohen-Tannoudji ENS, Paris W. Hogervorst, W. Vassen Amsterdam { G. Birkl, W. Ertmer Hannovre Ne* H.C.W. Beijerinck, E.J.D. Vredenbregt Eindhoven

Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

Réalisation expérimentale Piège Cloverleaf @ 240 A : B0 : 0.3 to 200 G ; B’ = 87 G / cm ; B’’= 16 G / cm2 z / 2 = 47 Hz ;  / 2 = 1800 Hz (1200 Hz) Piege magnétique : 108 At @ 1mK 106 At @ 1mK Piège magnéto-optique :

Refroidissement évaporatif Distribution d’énergie = e-E/kBT * (densité d’état) E b - e . ) E ( g h n h n h n é n e r g ie R F R F 1. Troncature de la distribution d’énergie 2. Thermalisation Grâce aux collisions élastiques T diminue ldB et r augmentent !!

Détection des atomes : le temps de vol Evolution des signaux observés après la coupure du piège au cours de l’évaporation. Double structure  Signature du CBE Ajustements  N th , T , N 0 , µ h g MCP

Détection des ions Comptage  He+ Discri. Temps Mort Compteur PCI -30 V Enregistrement : Temps entre chaque impact. Analyse : Flux en fonction du temps. Comptage  signal à bruit limité par « bruit de grenaille »

Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi en direct et non perturbatif de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

Collisions avec le gaz résiduel : Mesures de durée de vie He* + X  He (1 1S0) + e - + X+ Exemple : X = H2O  indépendant de la densité   Nombre d’atomes

Collisions avec le gaz résiduel : Evolution du nombre d’atomes Ions + atomes Atomes Ions

Collisions à 2 et 3 corps : Suivi de la densité du nuage He* + He*  He (1 1S0) + He+ + e - He* + He* + He*  He*(1 mk) + He (1 1S0) + He+ + e - Dépend de la densité !

Naissance du condensat Flux d’ions détecté (cps/s) Temps(s) Temps de Vol

Naissance du condensat Au seuil ! Apres ! Avant ! Flux d’ions détecté (cps/s) Fonction Bose Gaussienne Temps de Vol

Expression du taux d’ions He* + He*  He (1 1S0) + He+ + e - He* + He* + He*  He*(1 mk) + He (1 1S0) + He+ + e - CBE dilué

Simulation de la formation Total 3 corps 2 corps 1 corps

Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

Principe des mesures CBE CBE Méthode : Mesurer : Φi , N , n pour un même échantillon t1 + 0.1 s 0.01 s Sur CBE pur ! t1 2 s Difficulté : Mesurer les grandeurs de façon absolue ! Temps de vol : N et n via m

Mesures sur des condensats purs : paramétrisation Approximation T-F Mesure de m  n0 et N

Mesures sur des condensats purs : effet des interactions Pour des condensats dilués : fonctions de corrélation locales Shlyapnikov Cornell, Wieman Mais : grande longueur de diffusion  effet des interactions important Prise en compte de la Déplétion quantique Shlyapnikov Correction importante (e ~ 0.25 pour les densités les plus élevées) Même si le N (déplétion quantique) est faible ( qq % ) Collisions à 2 corps : correction 2 fois plus faible

Mesures sur des condensats purs Pour chaque point : N et n0 via m (TOF) et Taux d’ions Vérification CBE pur (>90%) Ajustement  (b , L) pour chaque valeur de a Ajouter légendes figure, échelles, axes courbure  3-corps (L) joue un rôle non-négligeable !!

Mesures sur des condensats purs : Résultats Prédictions théoriques Dépendance due paramétrisation Ajouter légendes figure, échelles, axes

Mesures sur des nuages thermiques au seuil : paramétrisation Temps (s) Flux d’ions détecté (cps/s) Indépendant de a ! Mesure de Tc  ns et Ns

Mesures sur des nuages thermiques au seuil

Résultats Res. Bec purs Prédictions Res. Therm. seuil théoriques Dépendance due paramétrisation Res. Therm. seuil Res. Bec purs

Résultats Erreur systématique : Erreur Statistique Efficacité absolue de détection des ions Erreur Statistique Autre erreur systématique à étudier : effet d’une expansion dans le régime hydrodynamique

Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

Conclusion et perspectives Atomes métastables  Signal d’ionisation un signal • supplémentaire, complémentaire • en temps réel • “non-perturbatif” - qualitativement rupture de pente : apparition du CBE - collisions à 3 corps importantes vers du quantitatif : mesures de b et L (pour quelle valeur de a nos résultats sont cohérents) Nous espérons (meilleure calibration de N, ou mesure indpt de a ) -Montrer expérimentalement * le déplacement dû aux interactions * l’effet de la déplétion quantique -suivre quantitativement la formation du CBE en une seule réalisation

Merci à ... L’équipe He* Antoine Browaeys Alice Bobert Denis Boiron Signe Seidelin Chris Westbrook José Gomes Alain Aspect Rodolphe Hoppler Martejn Schellekens Le groupe d’Optique Atomique et ses électroniciens André Villing Frédéric Moron Les différents services de l’IOTA Le service des TP L’atelier de mécanique Le service technique L’atelier du verre L’accueil-reprographie,…

L’équipe He*

Détection des ions Discri. Temps Mort Compteur PCI Enregistrement : He+ Discri. Temps Mort Compteur PCI -30 V Enregistrement : Temps entre chaque impact. Analyse : Flux en fonction du temps. Fit donne F=49(±1) 103  Pas de double comptage

Et la décroissance…. Bouclier-rf Sans Bouclier-rf

Raman transitions 2 faisceaux co-propageants (non-sélectif en vitesse) Avec polarisation s+ et p

Densité dans l’approximation de champ moyen : Interactions 1. Ordre perturbation (Stringari) Énergie de point zéro Interactions