Manipulation d’atomes par laser et métrologie

Présentation au sujet: "Manipulation d’atomes par laser et métrologie"— Transcription de la présentation:

1 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

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

3 Interroger un seul atome ?

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

5 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)

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

7 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)

8 Atome + Laser : Force de pression de radiation
Accélération = g

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

10 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

11 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

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

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

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

15 Principe de double interrogation: Ramsey
Four détecteur

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

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

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

19 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

20 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

21 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 CODATA P. Mohr and B. Taylor, RMP, 77 (2005) G. Gabrielse et al, PRL, 97, , 2006

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

23 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

24 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)

25 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

26 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 m/s x 10-5 300 µK m/s ,01 300 nK cm/s

27 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]

28 Expérience de H. Cavendish
1798 (Balance de torsion)

29 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

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

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

35 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

36 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

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

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

39 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

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

41 Source cohérente d’atomes interférométrie atomique

42 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

43 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

44 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]

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

46 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 =