Manipulation d’atomes par laser et métrologie des constantes fondamentales       Saïda GUELLATI-KHELIFA Laboratoire Kastler Brossel (CNRS-UPMC-ENS) Conservatoire National des Arts et Métiers

Appareil de mesure universel L’atome est universel Appareil de mesure universel

Interroger un seul atome ?

Dans la nature, un atome n’est jamais seul…

SOLUTION Refroidir les atomes par laser Comment se procurer les atomes pour une expérience de physique atomique? Nv V = 700 m/s Dispersion en vitesse Agitation thermique T SOLUTION Refroidir les atomes par laser T. W. Hänsch and Schawlow, Opt. Comm. 13, 68 (1975) D. Wineland and H. Dehmelt, Bul. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975)

Kepler 1619 Effet « mécanique » de la lumière sur les atomes Manifestation macroscopique Kepler 1619

Effet « mécanique » de la lumière sur les atomes Absorption + émission spontanée Ef Ee Photon (ħ k, hn) Ef Ee Ef Ee Ee – E f = h n Dv = ħ k /M = vr Photon (ħk, hn)

Atome + Laser : Force de pression de radiation Accélération = 100 000 g

Ralentissement d’un jet atomique par balayage de fréquence Condition de résonance wL - kL v (z) = wat

Force de friction F = - a V Refroidissement Doppler n < n at n < n at Force de friction F = - a V Milieu « optiquement » visqueux Mélasse optique

Piége magnéto-optique f (J = 0) e (J = 1) m = -1 m = 0 m = +1 m = 0 position s+ s - F = - a V – b r Mélasse à 3D Effet Doppler Piégeage Effet Zeeman

Quelques ordres de grandeurs Piège + refroidissement Doppler et sub-Doppler n = 1010 atomes/cm3 T ≈quelques mKelvin

• Mesure de la constante de structure fine • Horloge atomique • Mesure de la constante de structure fine • Interférométrie atomique

l’Horloge atomique Oscillateur à Quartz Multiplicateur de fréquence Boucle de rétroaction Ef Ee n n0 n P (n) Résonateur atomique Réponse atomique Signal d’erreur Signal d’interrogation La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de Césium

Principe de double interrogation: Ramsey Four détecteur

A la quête de l’exactitude des expériences de dimensions surhumaines

Fontaine atomique == un jet atomique vertical Fontaine atomique de Zacharias (MIT 1953)

La hauteur de la fontaine Nv V = 100 m/s La hauteur de la fontaine 500 m

Fontaine à atomes froids (1990) L’horloge la plus précise au monde (SYRTE) 1 s tous les 20 millions d’années!! Limite : accélération de la pesanteur

Projet d’Horloge Atomique par refroidissement d’Atomes en Orbite + ACES Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,.. Chronométrage des pulsars millisecondes: génération d’ondes gravitationnelles Dérive dans le temps de la constante de structure fine

Codata = Committee on DATA for science and technology Déterminations de la constante de structure fine a Codata = Committee on DATA for science and technology RK=h/e2=m0c/2a quantum Hall effect Solid state physics G’ p,h-90 hfs muonium QED ae = f (a/p) g – 2 of the electron (UW) g – 2 of the electron (Harvard) mv=h/l h / m h / m(neutron) h / m(Cs) vr=ħk/m h / m(Rb) a-1 137.035 990 137.036 000 137.036 010 CODATA 2002 P. Mohr and B. Taylor, RMP, 77 (2005) G. Gabrielse et al, PRL, 97, 030802, 2006

Mesure de la vitesse de recul : difficultés vr (Rb) ≈ 6 mm/S Emission spontanée Difficultés

Transition Raman séléctive en vitesse k1 k2 e n2 n1 b a Absorption + émission stimulée L’atome gagne 2 fois la vitesse de recul Transition sélective en vitesse

Principe de l’expérience N  2ħk Accélération cohérente mesure (Transition Raman) sélection F=1 87Rb 5S1/2 F=2 5P3/2 Incertitude finale vr = v / (2N)

M Accélération cohérente dans un réseau optique k1 M k2 Etot 2ħk p U0/2 Transfert de ~ 2000 x vr Determination de a à 6,7 x 10-9

Caractère ondulatoire de la matière M : la masse de la particule V : Vitesse de la particule h : constante de Planck Temp. Vitesse l de Broglie thermique (microns) 300 K 300 m/s 1 x 10-5 300 µK 30 m/s 0,01 300 nK 1 cm/s 1

Interférométrie atomique b c M k1 k2 p/2 |a, v > |b, v +2vr > Mesure de h/MCs → a [7 x 10-9] Mesure de g → [3 x 10-9]

Expérience de H. Cavendish 1798 (Balance de torsion)

Navigation inertielle d’engins civils et militaires Détection de bunker.. Meilleurs connaissances des structures géologiques (pétrole, diamants..) Fluctuations des niveaux des océans, climat, calotte glacière

Comment observer le condensat de Bose ? Imagerie d’absorption In-situ distribution spatiale dans le piège magnétique Par temps de vol distribution de vitesse

Vérification du principe d’équivalence Masse « Grave » ≈ Masse « Inerte » 10-12 Théorie des cordes ? Projet Hyper (Hyper-Precision Atom Interferometry In Space )

Condensation de Bose-Einstein Prix Nobel 2001 N T N/100 T/1000 F = 1 m = 1 F = 1 m = 0 F = 1 m = -1 h nRF n lDB3 est multiplié par 107

Condensation de Bose Einstein Longueur d’onde thermique de Broglie d d T = ambiante Particules quasi-ponctuelles d = f (n) T ~ 1 mK d ≈ L Transition de phase à nL3 = 2.612 T < Tc Une fraction macroscopique des atomes passe dans le même état fondamental Condensation de Bose-Einstein Limite refroidissement dissipatif n lDB3 = 10 -6

Statistique de Bose-Einstein Prédiction en 1924... Réalisation en 1995                                      A. Einstein                                    S. Bose                                                                          Boson : particule de spin entier (photon, gluon…) Prix Nobel 2001

Refroidissement évaporatif (pas de force de friction: non dissipatif) ( m est le spin de l’atome) x W Collision élastique thermalisation gélas / ginelas> 150

Signature de la condensation de Bose-Einstein Quelques millions d’atomes dans un piège magnétique anisotrope 0.5 à 1 mK 100 mm * 5mm Temps de vol Gaz de Boltzmann Condensat Sans interaction 1000 atomes de Rubidium dans l’état fondamental du Piège magnétique

Comment mesurer la température ? C.Salomon, J. Dalibard, W. Phillips, A. Clairon, S. Guellati, Europhys. Lett. 12, 683 (1990)

Source cohérente d’atomes interférométrie atomique

Projet d’Horloge Atomique par refroidissement d’Atomes en Orbite + ACES Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,.. Dérive dans le temps de la constante de structure fine Chronométrage des pulsars millisecondes: génération d’ondes gravitationnelles Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale

Accélération cohérente : approche des oscillations Blcoh M. Ben Dahan et al , Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 4508. Etot 2ħk p U0/2 ~ 2000 x vr a à 6,7 x 10-9

Expérience de Stanford |a, v =0 > |b, v = 3 vr > /2 T p |a, v= 4 vr > |b > |a > Mesure de h/MCs → a [7 x 10-9] Mesure de g → [3 x 10-9]

Nouvelle détermination de a ~ 450 oscillations de Bloch Efficacité de transfert >99.95% Cladé et al, PRL, 96 (2006) 033001 10-7 -1 1 point = 4 spectres (20 mn) 72 valeurs Incertitude statistique sur a de 4.4£10-9

1 2 Accélération cohérente des atomes : approche simple F=1 1 2 Succession de transitions Raman stimulées (même niveau hyperfin) M k1 k2 2vr Impulsion Energy h1 h2 2 vr par cycle Incertitude sur a = 6.7 10-9