Habilitation à Diriger des Recherches

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1 Habilitation à Diriger des Recherches
Cs+ F R Habilitation à Diriger des Recherches EXPERIENCES AVEC DES ATOMES DE RYDBERG ET DES MOLECULES ULTRA-FROIDS. Daniel Comparat

2 Un dispositif (Cs MOT) deux expériences
Plan Un dispositif (Cs MOT) deux expériences Expériences concernant les atomes de Rydberg Que faire avec des atomes de Rydberg froids ? Contrôle des interactions dipolaires Forces dipolaires Plasma ultra-froids et applications Expériences concernant les molécules froides et la photoassociation Que faire avec des molécules froides ? Spectroscopie de photoassociation Détection efficace des molécules Pompage optique et refroidissement de la vibration des molécules Formation et piégeage de molécules froides Projets futurs

3 Pourquoi des atomes de Rydberg ?
Rydberg (atome, molécule, …) = n grand ~ atome d’hydrogène semi-classique Grande taille: ~ 2 n2 a0 ~ 1 μm (n=100) Grand moments dipolaires: µ ~ n2 ea0 ~ D (H2O – 2.6 D) Longue durée de vie:  n3 ~ 1 ms Facile à détecter Eion  n-4 ~ 10 V/cm R µ‘ Dipôle-dipôle  µµ‘/R3 1 10 MHz dipole-dipole Sin t/2 Cos t/2 B Rydberg Excitation contrôlée par l’interaction dipolaire A

4 Pourquoi froids ? v Haute température: collisions binaires
tcoll << tvie; Einteraction << Ecin Basse température: Effet à N-corps tcoll >> tvie; Einteraction ≥ Ecin 2 ms >> 10 μs; jusqu’à 100 MHz ≥ 2 MHz v Ensemble quantique d’atomes quasi immobiles en forte interaction. Système intermédiaire entre atomes, molécules, solide et plasmas

5 Gaz de Rydberg froids (exp + th)
1998 Interaction dipolaire dans un environnement d’atomes gelés (élargissement + diffusion ?) Pillet (PRL ), Gallagher (PRL ) 1999 Forces dipolaires dynamique  gaz non gelé ! Pillet (PRL ) 2000 Rydberg  plasma Plasma ultra-froids: photo-ionisation (NIST) (PRL 83, 4776) Pillet + Gallagher (PRL ) Porte quantique utilisant l’interaction dipolaire « dipole blockade » Lukin, Fleischhauer, Côté, Jaksch, Cirac, Zoller (PRL ) 2004 Van der Waals (2nd ordre): blocage (saturation excitation) + spectroscopie (élargissement) Eyler Gould (PRL ) + Weidemüller (PRL ) Martin (PRL ) Blocage dipolaire(1er ordre) (saturation de l’excitation) Pillet : dipole permanent (PRL ) + dipole de transition (Förster) (PRL ) 2007 Excitation collective cohérente+ spin-echo Pfau (PRL ) 2008 Oscillation de Rabi Weidemüller (NJP ) + (1 at) Saffman,Walker (PRL ) Blocage dipolaire (2 at) Saffman,Walker (arXiv ) + Browaeys (arXiv: ) Piégeage 3D d’atomes de Rydberg Merkt (PRL ) Molécules Pfau (arXiv: ) Molécules (Côté, Greene) Superradiance (Gould), EIT (Adams), STIRAP (Raithel, Weidemüller), …

6 Champ électrique: blocage de l’excitation
Cs+ e- Dipôle permanent R Vogt et al. PRL (2007) Cs+ e- Vdd  m2 /R3 ~ hDlaser nRyd  Dlaser/m2 F 7s 300ns Ti:Sa Dipôle de transition (Förster, np milieu ns (n+1)s) Vogt et al. PRL (2006) Vdd(ps) Vdd(pp) np ns np + np ↔ ns + (n+1)s np (n+1)s

7 2 atomes piégés: blocage de l’excitation
Rb(58d) 2 atomes piégés: blocage de l’excitation Broawaeys, Grangier A. Gaëtan et al. arXiv: P(1 at | 1at) P(1 at | 2at)

8 Modélisation du blocage dipolaire
A. Chotia et al. NJP 10, (2008) 80p 6s Equation de taux -> Méthode de Monte Carlo cinétique (Exacte et plus rapide que Monte Carlo classique) Interaction entre toutes les paires : di ~ dLaser + Sk m2 (1-3 Cos2 qik)/Rik3 i k Domination de l’interaction entre plus proche voisins

9 Effet des ions Monte Carlo sans ion sans dipôle-dipôle n=70
avec dipôle-dipôle Monte Carlo avec ionisation corps-noir (*50) sans dipôle-dipôle Dynamique à N-corps (LeapFrog-Verlet-Störmer-Delambre ¹ Runge-Kutta)

10 Ionisation controllée
Etude en champ électrique M. Mudrich et al. PRL (2005) n=39,40,41 np np ns (n+1)s Etude en champ électrique nul M. Viteau et al. PRA (2008) Collisions Rydberg/Rydberg Ionisation Penning Formation d'un plasma ultra-froids 45 44 43 Collisions Rydberg/atomes Corps-noir ? 39 40 41 42 ss’ pp E R D n=43,44,45 ns (n+1)s np np Contrôle de l’énergie des ions ?

11 Plasmas ultra-froids (non ultra-froids)
+ Atome de Rydberg 109 confinements: magnétique, inertiel, gravitationnel Laser Méga Joule 108 107 Magnétosphère ITER Intérieur du soleil 106 Plasmas cinétiques Γ=Epot/Ecin<1 Foudre Laser 105 Température [K] Nébuleuses Couronne solaire Naines brunes 104 Néon Ecran plasma “dusty” 103 Espace interstellaire Plasmas corrélés Γ≥1 102 Aurores Flammes Ions piégés 101 103 104 1010 plasmas neutres ultra -froids 1022 1028 1034 Densité [m]-3

12 Analogie avec les amas globulaires (1957)
D. Comparat et al. MNRAS 361, 1227 (2005) Plasma ultra-froid Amas globulaire F= (qe2 / 4  0)/r2 F= (-G M2 )/ r2 Même équation de Boltzmann (Vlasov) : électrons (piégés par les ions) étoiles Maxwellienne abaissée à l’équilibre (Kramers-Michie-King) f (E) ~ e-E/kT -e-E0/kT Mêmes lois (taux) collisionnelles: dissociation des binaires (Rydberg) si Eliaison> 4 kB T

13 Les Rydberg: des glaçons pour les électrons ?
- + Atome de Rydberg Refroidissement par (anti-)recombinaison à 3 corps ? Expérience (Ionisation dans un plasma) Théorie N. Vanhaecke et al. PRA (2005) T. Pohl et al. EPJD (2006) Plasma seul Plasma + n=36 Plasma + n=31 Plasma + n=26 Fraction des atomes restant Gélectron ~ 1 Nb d’ions dans le plasma Collaboration avec Dresde: Rost, Pattard, Pohl

14 Travaux futurs (Focussed Ion(e-) Beam: FIB)
Plasmas ultra-froids faisceaux d’ions (électrons) Réduction de la dispersion en énergie (<0.1 eV contre 1eV)  basse énergie + éventuellement petites sondes Nouvelles sources non contaminantes (Ga actuellement) 1) Orsay Physics, thèse CIFRE (Leila Kime) : FIB a) Jet d’ions monocinétique de césium de basse énergie microanalyseur ionique secondaire (SIMS). b) Plasma ultra-froid de gaz rare  FIB non contaminante 2) Laboratoire de Physique des Solides (Ch. Colliex + A. Gloter ) Jet d’électrons monocinétiques (500pA/0.1nm/0.1 eV) Faible dispersion en énergie  propriétés optiques. Problèmes étudiés actuellement: Taille de la source de départ (inhomogénéité + aberrations) Effets coulombiens (long temps d’interactions) Luiten & Vredenbregt Physics of Plasmas (2007) McClelland Nano Lett., (2008)

15 Travaux futurs (antihydrogen)
A. Kellerbauer et al. NIMB (2008) 2002 CERN ATRAP (Antihydrogen Trap) + ATHENA (AnTiHydrogEN Apparatus) Production d’antihydrogène (antiprotons + 2 positrons) 2006 Projet AEGIS (Antimatter Experiment : Gravity, Interferometry, Spectroscopy) 1) Former par échange de charge 2) “Stark-accélérer” les anti Rydberg pour mesurer la chute 3) Mesure de gravité avec de l’antimatière (¹ violation CPT) Excitation Ps= (e+ e- ) F. Castelli et al. PRA accepté 2) Champ magn. et acc. Stark ? 3) Désexcitation des Rydberg. 4) Projet (Louis Cabaret) Refroidissement laser à 121nm (source quasicontinue très intense) Approbation de principe par le CERN

16 AEGIS

17 Un dispositif (Cs MOT) deux expériences
Plan Un dispositif (Cs MOT) deux expériences Expériences concernant les atomes de Rydberg Que faire avec des atomes de Rydberg froids ? Contrôle des interactions dipolaires Forces dipolaires Plasma ultra-froids et applications Expériences concernant les molécules froides et la photoassociation Que faire avec des molécules froides ? Spectroscopie de photoassociation Détection efficace des molécules Pompage optique et refroidissement de la vibration des molécules Formation et piégeage de molécules froides Projets futurs

18 Refroidissement laser de molécules ?
Refroidissement laser des atomes Repétition d’absorption-émission spontanée (transfert d’impulsion) x 10000 Refroidissement laser des molécules ? Impossible

19 D’autres méthodes marchent !
Molécules T(µK) N Résonance de Feshbach Fermi (Jin); BEC (Ketterle,Grimm,Sengstock) Li2, K2, Cs2, Rb2, Na2, Cs4, KRb 0,05 Photoassociation (Pillet, Zimmerman, DeMille ) Cs2,Rb2, He*2, H2, Li2, Na2, K2, Ca2, KRb, RbCs, NaCs, LiCs 100 Collisions à 3 corps (Gabbanini, Grimm) Rb2, Li2 0,2 Cryogénie (Doyle) CaH, CaF, V O, PbO, NH, ND, CrH, MnH 1013 Ralentissement Stark (Meijer) Rydberg (Softley) Optique (Barker) Zeeman (Raizen, Merkt) 14NH3, 14ND3,15NH3,CO,OH,OD,H2CO, SO2, C7H5N, YbF H2 C6H6 (190 m/s) O2 25 000 10 000 Collision de 2 jets (Chandler) NO, KBr Buse tournante (Herschbach) O2, CH3F,SF6 Filtrage des vitesses (Rempe) H2CO, ND3, S2, D2O, CH3F Refroidissement sympathique (Drewsen,Schiller,Wester) ArH+, ArD+, MgH+, N2H+,N2D+,H3+,D3+,D2+,H2D+, NH2- C16H14C16N2O9S+, Cyt12+, ... < 1 000

20 Que faire avec des molécules froides (lentes) ?
1) Faire des mesures précises (G. Meijer, J. Ye, …) a) Durée de vie: OH, CO, … (~59 ms) PRL (2005) Effet due au corps noir b) Spectroscopie: ND3 structure hyperfine (Hz) EPJD (2004) c) Test de physique fondamentale (Hinds, DeMille, Doyle, Ye, ...) ~ 103 meilleur qu’avec des atomes dipole de l’électron (PbO, YbF), chiralité (champ électrique) Da/a < /an (mesure sur OH; PRL (2006)) me/mp (coïncidence de niveaux rotationels et hyperfins) 2) Dipole permanent (molécules hétéronucléaires) cf. Rydberg ! a) Gaz quantique dipolaire (anisotropie) (Zoller, Lewenstein, …) Ecin<Eint b) Interaction dipolaire pour information quantique (DeMille) 3) Contrôle des réactions chimiques (collisions) (Tous !) a) Réactions à basse température (résonnance, effet tunnel, …) b) Collisions en champ : contrôle de la dynamique (association, dissociation) CH3F + Ca+  CaF+ + CH3 T. Sofltey PRL 100, (2008)

21 Photoassociation & molécules froides
Détection REMPI Resonance Enhanced Multi-Photon Ionization Photoassociation 2 atomes absorbent un photon (1) Energie (cm-1) 25000 30000 Emission spontanée Laser à colorant pulsé PA Laser Cs2+ 13000 14000 10 15 20 25 30 35 40 45 -200 -100 a u 11000 11200 11400 11600 11800 R(a0) Xg (2'') (2') (1) Désexcitation (2'') (2') Molécules Perte d’atomes Cn/Rn Spectroscopie de longue élongation Plusieurs v peuplés 1998: triplet molécules (détection sélective)

22 Spectroscopie de photoassociation (1993-2008)
Li2: Hulet (Rice) Na2: Lett (NIST), VanderStraten (Utrecht) K2: Gould, Stwalley (Storrs) Rb2: Heinzen (Austin), Gabbanini (Pise) Cs2: Pillet (Orsay), Stwalley (Storrs) H2: Walraven (Amsterdam) He2: Leduc, Cohen-Tannoudji (Paris) Ca2: Tiemann, Riehle (Hannover/Braunschweig) Yb2: Takahashi (Tokyo) Sr2: Killian (Boulder) 6Li7Li Zimmerman (Tübingen) RbCs: DeMille (Yale) KRb: Bagnato (São Carlos), Stwalley (Storrs) NaCs: Bigelow (Rochester) LiCs: Weidemüller (Freiburg) YbRb: A. Görlitz (Dussedorf)…. PA in BEC (Li, Na, Rb, …) Reviews of Modern Physics, (2006) LeRoy-Bernstein(1970) + D. Comparat J. Chem. Phys.1318 (2004) v-vD µ Cn1/n DPA(n-2)/(2n) + g DPA + …

23 Photoassociation de frustration (résolution ~10 MHz)
Sélective (REMPI) détection Energie J=0,2,4  + u 3  g 1 D C. Lisdat et al., EPJD 21, 299 (2002) N. Vanhaecke et al., EPJD 28, 351 (2004) J= C6/R6 R 1 2 3 4 5 6 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 f energy (cm ) -1 rotation l Détermination du coefficient de van der Waals C6 = / u.a.

24 Molécules froides (juin 2008!)
peu de problèmes de rotation A partir de molécules Translation chaude + Vibration froide But Refroidissement cryogénique Ralentissement d’un jet supersonique Filtrage en vitesse Translation froide + Vibration A partir d’atomes Champs externe 1µK, 1012 at/cm3 (v unique) Collision avec un partenaire 100µK, 1010 at/cm3 (plusieurs v) . Bmag 1) Refroidir * interne * externe 2) Meilleure formation Translation froide + Vibration chaude (pas v=0)

25 Former des états profonds ? Meilleure photoassociation ! v=0
Eyler, Wang, Stwalley, Gould 2000 J. Deiglmayr, R. Wester, M. Weidemüller PRL 101, (2008) PRL (1999) PRL (2000) 2 étages 1 étape Relativement faible taux de formation ~ /s dans v=0

26 Détection pour chercher le maximum de molécules
dans X 1Sg+ (pas a 3Su+) (FHWM ~ 25 cm-1) M. Viteau et al. PRA soumis arXiv: Détection non sélective en vX

27 Balayage PA  Nouvelles molécules (X 1Σg+)
J=8 2 Bv J Re =(2μBv)−1/2 = 8.73a0 Détection large bande “normale” Taux de formation 106/s. Méchanisme complexe 4 courbes 1g couplées + 2 photons spontanés ! REMPI fin spectralement  vX= 1-10 (pas de vX =0)

28 Transférer un niveau de vibration
Incohérent (laser pulsé ns) DeMille (c-d) 500 mol. v=0 PRL 94, (2005) Cohérent (STIRAP, lasers CW) 2008 H-C. Nägerl (Cs2) Science D. Jin, J. Ye (KRb) Science J. Hecker Denschlag, Grimm (Rb2) PRL PA

29 Transférer les niveaux de vibrations
POMPAGE OPTIQUE M. Viteau et al. Science 321, 232 (2008) “cavity cooling” favoriser la desexcitation vers v=0 S. Chu PRL (2000) R. Vivie-Riedle PRL (2007) J. Ye PRA (2008) Contrôle cohérent (fs laser intense) favoriser v=0 (interferences destructives) D. Tannor, A. Bartana & R. Koslov, J. Chem. Phys (1993) PRINCIPE DU POMPAGE 1) Répétition de la séquence Absorption Emission 1 X 2 1 2 V=2 2) Façonner la source pour éviter l’étape 3 3 V=0 état noir Idée similaire (pour la rotation des ions) M Drewsen J. Phys. B (2004)

30 Réalisation expérimentale
Façonnage d’un laser femtoseconde couvrant ~ 5 niveaux vibrationnels façonnage Ligne-4f (B. Châtel)

31 Réalisation du pompage optique
0-3 VX = 0  VC = VX = 0-1 Femto vC vX 50mW/cm2 Transfert (80%) des vX (<8) vers vX = 0 Limité par la largeur du laser  supercontinuum

32 Un dispositif (Cs MOT) deux expériences
Plan Un dispositif (Cs MOT) deux expériences Expériences concernant les atomes de Rydberg Que faire avec des atomes de Rydberg froids ? Contrôle des interactions dipolaires Forces dipolaires Plasma ultra-froids et applications futures Expériences concernant les molécules froides et la photoassociation Que faire avec des molécules froides ? Spectroscopie de photoassociation Détection efficace des molécules Pompage optique et refroidissement de la vibration des molécules Formation et piégeage de molécules froides Projets futurs

33 Piégeage des molécules (futur)
Piége magnétique (quadrupolaire) N. Vanhaecke et al. PRL (2002) Durée de vie ~ 600 ms 50 100 Délai avant ionisation tion (ms) 150 200 ions Cs 2 + a3Su+ B s molécules 20mK 107 cm-3 Accumulation après photoassociation dans un MOT à fort gradient Piège “dipolaire” hors résonance N. Zahzam et al. PRL (2006) a3Su+ et X 1Sg+ Cs MOT profondeur ~ 1K Atomes CO2 0.9 mK Molecules CO2 1.5 mK N ~ 107 N ~ 105 N ~ 104 n ~ 1010 cm-3 n ~ cm-3 N ~1010 cm-3 T ~ 130 μK T ~ 40 μK Gat-mol ~ cm3/s Gmol-mol ~ cm3/s Molecules + atomes Molecules seules

34 Etude d’un pousseur-guideur pour transferer les atomes entre 2 MOT
Chargement efficace d’un piège dipolaire D. Comparat et al. PRA 73, (2006) avec B. Laburthe-Tolra (LPL) Etude du chargement par collision d’un laser Nd:YAG (fibre) + réservoir (magnétique) Laser CO2 sur 50µm 109 atomes, 150µK (magnétique 10mT/cm) En 0.1s 108 atomes 200µK (100W/100µm2) Théorie « complète » de l’évaporation Lévitation magnétique et Zoom optique Résonance de Feshbach NBEC>107 en tBEC<1s Ne marche pas (piège croisé) pour le Cs !! Etude d’un pousseur-guideur pour transferer les atomes entre 2 MOT E. Dimova et al. EPJD (2007) avec V. Lorent, H. Perrin (LPL)

35 Amélioration (99%) et sélection des v: meilleur façonnage (B. Châtel)
Futur Amélioration (99%) et sélection des v: meilleur façonnage (B. Châtel) Refroidissement avec une source incohérente (diode ?) Test avec un jet moléculaire V=0, J=0 noir J=2 J=1 J=0 V=0, J=2 V=0, J=1 Extension à la rotation Refoidissement de molécules (test sur Cs2 ) Repétition ! Nouvelle expérience YbCs (Fermion-Boson, Boson-Boson) Appliquer toutes les techniques à la molécule polaire YbCs Intéret de l’Yb pour les Rydberg, coeur très polarisable Excitation (nl) du premier électron et piégeage laser du second (coeur isolé)

36 Pierre Pillet Andréa Fioretti Jianming Zhao (Suotang,Xiao)
Duncan Tate Maria Allegrini Thomas Gallagher Nadia Bouloufa Anne Crubellier Olivier Dulieu Eliane Luc Françoise Masnou Etienne Brion Vladimir Akulin Bruno Laburthe-Tolra Cyril Drag Nicolas Vanhaecke Thibault Vogt Matthieu Viteau Amodsen Chotia Ridha Horchani Nassim Zahzam Dimitris Sofikitis Nathalie Hoang Guillaume Stern Wilson de Souza Melo Christian Lisdat Marcel Mudrich Emilyia Dimova Thésards Ryd,Mol BEC Invités Christian Colliex Jérome Leygnier Michèle Leduc Théorie LAC Post-doc Ryd,Mol BEC Personnel du laboratoire Aimé Cotton (administration, électronique, chaudronnerie, mécanique, accueil, achats et marchandises, ...)