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DÉCÉLÉRATEUR STARK POUR ATOMES ET MOLÉCULES DE
RYDBERG
Nicolas SAQUET
Mercredi 16 Décembre 2009
THÈSE DE DOCTORAT
Plan
• Molécules froides : motivations
• Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg
• Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg
• Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats
Plan
• Molécules froides : motivations
• Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg
• Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg
• Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats
Intérêt des molécules froides
• Mesures très précises:– Spectroscopie de haute résolution (Meijer ND3)
– Durée de vie (Meijer OH)
Test de physique fondamentale:– Variation de constantes fondamentales avec le temps (Ye OH)– Moment dipolaire électrique de l’électron (DeMille PbO, Hinds
YbF)
• Interaction dipôle-dipôle (Jin KRb)– Nouveaux systèmes– Applications à l’information quantique, …
• Chimie froide: – collisions à basse énergie (van de Meerakker OH)– contrôle de la dissociation avec un champ extérieur
• Degrés de liberté internes et externes froidsInterne: peu d’états peuplés Externe: lié à la distribution en vitesse du gaz
Produire des molécules froides
• À partir d’atomes froids (T < 100 µK)
diatomiques homonucléaires et hétéronucléaires
• Refroidissement sympathique (T < 1K)
molécules paramagnétiques
• Filtre en vitesse (T~1K)molécules polaires
• Décélération d’un jet supersonique pulsé (T < 1K)
Jet supersonique
Distribution thermique Jet supersonique
Caractérisation: vitesse moyenne, températures transverse et longitudinale
Ø D
Décélération d’un jet supersonique
• Décélérateur Stark (espèces polaires dans des gradients de champ électrique): Meijer (OH,NH,ND3,CO),Tiemann (SO2), Hind (YbF,CaF), Ye (OH)
• Décélérateur Stark optique: Barker (C6H6)
• Décélérateur Zeeman: Merkt (H,D), Raizen (Ne*,O2)
• Décélérateur Stark pour espèces dans un état de Rydberg: Merkt (Ar,H,H2)
Décélération Stark pour espèce polaire
Effet Stark:
SO2: =1.6 Debye
Force exercée par un champ électrique inhomogène
f/m≈ 105-106 g
Pression de radiation lors du refroidissement laser 103-104g
Décélération Stark
326 étages, L=1.8 m
5.5mm
2mm
Moment dipolaire d’une molécule polaire quelques Debye
SO2 dans Xe
∆E=0.78 cm-1/étage
HV=10kV, =400ns
Ei ≈ 218 cm-1
Etats de Rydberg (I)
Etat électronique très excité
Pour l’atome d’hydrogène, les niveaux d’énergie d’un électrondans un état de Rydberg est donné par:
Moment dipolaire ≈1000 Debye pour n=18
€
E = −1
2n2
€
E = −1
2n2+3
2nkF
Particule en champ nul
Particule en champ électrique
Effet Starkk varie par pas de 2
Champ d’Inglis-TellerNa
Etats de Rydberg (II)
Intérêt d’utiliser les états de Rydberg pour la décélération Stark
Versatile: atomes et moléculesGrande sensibilité au champ électrique
Compromis entre le moment dipolaire et le champ électrique d’Inglis-Teller
Limites:• Mélange d’états (Champ d’Inglis-Teller)• Durée de vie des états
Décélérateur Stark-RydbergForce exercée par un champ électrique inhomogène sur un dipôle
Moment dipolaire électrique d’un atome de Rydberg:
Champs électriques plus faibles et façonnables temporellement
≈1000 Debye pour n=18
Vanhaecke et al. J. Phys. B 38 S409
Décélération en continu
Plan
• Molécules froides : motivations
• Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg
• Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg
• Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats
Réalisation du montage expérimental2007
2009
L’expérience
ExpériencesProduction du jetPulsé supersonique
P≈10-8mbar
Montage expérimental
Vanne pulsée (10-50 Hz)Pression du gazporteur ~1-10 bar
Laser d’ablation Nd:YAG 532nm 1.0mJ/pulse
Cible de sodium en rotation
Laser à colorant continu 589 nm
Zones de détection
10 cm
15 cm
Détection parfluorescence induite par laser
Temps de vol des atomes de sodiumMesure dans la première zone d’interaction
Pression du gaz porteur: 3 bars
Température longitudinale
60 m/s
10 K
Mesure dans la première zone d’interaction
Gaz porteur: ArgonPression: 6 bars
Température transverseMesure dans la seconde zone d’interaction par effet Doppler
Gaz porteur: Argon Pression: 6 bars
100 MHz
Structure hyperfine Δν(F=0,F=3)≈ 108 MHz
Caractérisation du jet• Etude et optimisation du jet avec la pression du
gaz porteur et l’énergie du laser d’ablation
• Effet de chauffage lors de l’ablation
• Argon ( v ~ 650 m/s)• Température longitudinale ~5K• Température transverse ~1K
• Densité ~ 5.108 atomes/cm3 estimée à partir du signal de fluorescence
Excitation vers un état de Rydberg
Détection sélective des états de Rydberg par impulsion de champ électrique ionisante
Plan
• Molécules froides : motivations
• Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg
• Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg
• Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats
Atome isolé et paires d’atomes de Rydberg en champ électrique
Na
Vliegen et al.PRL 92 033005
Suivi adiabatique1 état de Rydberg
Paires d’atomes
Croisement évité pour une paire d’atomes
Na
Passage adiabatique si:
Manipulation des états de Rydberg
Séquence expérimentaleP2P1 P3 P4
Excitation Ionisation
np
ns
1 cm
Excitation P3
δt
τ
Mise en évidence expérimentalen=48
2 passages à
Collisions résonantes Transitions Landau-Zener
Paires quasi-gelées
Gallagher et al. PRA 25 1905 (1982)
Modèle Landau-Zener
Distribution uniforme des atomes de Rydberg dans le nuage
Atomes ayant un plus proche voisin
Proportion varie en
Paires quasi-gelées
Mise en évidence expérimentalen=48
2 passages à
Collisions résonantes Transitions Landau-ZenerGallagher et al. PRA 25 1905 (1982)
Autres résonances
4% des atomes ont un plus proche voisin à moins de r0
7% des atomes ont un plus proche voisin à moins de r0
Influence de la durée de l’impulsion
δt
n=48
Influence de la vitesse de passage
Bon accord théorie-expérience
Proportion d’atomes ayantun plus proche voisin à moinsde r0
Dépendance en
n=48
Conclusions sur les transitions Landau-Zener
• Mise en évidence de transitions adiabatiques pour des paires quasi-gelées
• Efficacité des transitions dépend de la distance entres atomes plus proches voisins et de la vitesse de passage
• Perspectives: Interférométrie, intrication
• Pour n~15-20 très peu de transitionsNe devrait pas perturber la décélération
Plan
• Molécules froides : motivations
• Réalisation du jet supersonique d’atomes de sodium et excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg
• Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes de Rydberg
• Décélération d’atomes de sodium: premiers résultats
Principe du décélérateur Stark-Rydberg
Force exercée par un champ électrique inhomogène sur un dipôle
Champs électriques façonnables temporellement
Décélération en continu
≈1000 Debye pour n=18
Prototype
Grilles de détection
Modélisation
Paramètres ajustables: état de Rydberg, V, t0, τ
Atomes au-delà du champ d’Inglis-Teller: perdu pour la décélération
Champ sur l’axe du jet
V0=20VV=3000Vt0=8.4µs après excitationτ=3.4µs
sinon
sinon
Modélisation 3D sous Simion (v7.0)
Résultats des simulations pour une particule
Vitesse initiale 300 m/s
V0= 20Vt0 ajusté de telle sorte que
Optimisation en ajustant {V,t0,τ}
V0= 20V et V=3000Vt0 ajusté de telle sorte que
Résultats des simulations pour une particule
Efficacité du décélérateur dépend principalement de l’état de Rydberg excité
Influence de la vitesse initiale
Influence de l’état initialV0= 20V et V=3000Vt0 ajusté de telle sorte queVitesse initiale 300 m/s
Vol d’un nuage d’atomes
V= 3000 V
Δv transverse: 6 m/s
Nette séparation entre les deux nuages d’atomes
Vitesse initiale: 300 m/s
Δv longitudinale: 15 m/s
V0= 20 V
t0=texcitation + 8.4 µs
Montage pour la première expérience
Expérience de décélération
P2P1P3 P4Excitation
0 V
3000 V
Ionisation
Tensions appliquées
Temps
Décélération: première expérience8 m/s20d
Encourageant !
Xe 320 m/s
Conclusions sur la décélération
• Simulations 3D réalistes
• Processus très efficace: 50 cm-1 en 4 µs sur 3 mm
• Décélération plus efficace pour n≈17-20
• Premières expériences encourageantes
• Mise en œuvre du prototype prochaine
Conclusions• Réalisation et caractérisation d’un jet supersonique
d’atomes de sodium
• Excitation des atomes de sodium dans un état de Rydberg
• Mise en évidence de transitions Landau-Zener pour des paires d’atomes proches voisins dans le jet
• Dessin et simulation d’un premier prototype de décélérateur
• Première évidence de décélération
Perspectives
• Tester la cohérence lors d’une transition Landau-Zener
• Décélérateur avec plus d’électrodes mais compact pour arrêter les atomes de sodium
• Détection, excitation et décélération d’autres espèces (Na2, NaH, O, …)
• …
Merci !
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