De la condensation de Bose-Einstein à l’effet Hanbury Brown & Twiss de l’hélium...

De la condensation de Bose-Einsteinà l’effet Hanbury Brown & Twiss

de l’hélium métastable

travail de thèse effectué aulaboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique

Plan de l’exposéLe groupement de bosons

PrésentationCorrélation et indépendanceL’amplitude du groupementFonction de corrélationManifestation expérimentale

Comment mesurer le groupement ?

Expansion des nuagesRôle du détecteur

Modifications du montage expérimental

Un nouveau détecteurModifications réalisées

Perspectives d’évolution

probabilité

Plan de l’exposéLe groupement de bosons

PrésentationCorrélation et indépendanceL’amplitude du groupementFonction de corrélationManifestation expérimentale

Comment mesurer le groupement ?

Expansion des nuagesRôle du détecteur

Modifications du montage expérimental

Un nouveau détecteurModifications réalisées

Perspectives d’évolution

probabilité

Le groupement de bosonsIntroduction

Question : « Qu’est-ce qu’un boson ?  »C’est une particule de fonction d’onde symétrique.

Symétrie = échange de deux particules.

Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? »

Le groupement de bosons

Expérience de type « Hanbury Brown & Twiss »

Corréler les intensités

Introduction

source

corrélation

Davantage de corrélations quand les détecteurs sont « superposés »

Le groupement de bosons

longueur de cohérence = taille des tavelures

Le groupement : approche ondulatoire

L

lcohérence.

Optique :

Optique atomique :

L

l dBcohérence

.

Le groupement de bosonsLe groupement : approche ondulatoire

Interprétation ondulatoire : tout s’expliquele « groupement »la longueur de corrélation

Interprétation corpusculaire :manifestation des interférences = groupement des photonspas d’interaction

Le groupement de bosons

Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? »

Corrélation et indépendance

t1 t2

t

t3 t4

Le groupement de bosons

Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? »

Corrélation et indépendance

t1 t2

t

t3 t4

Le groupement de bosons

Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? »

Corrélation et indépendance

1

g(2)()

t1 t2

t

t3 t4

Le groupement de bosons

Question : « Quelle est la probabilité de détecter une particule secondes après une autre ? »

Corrélation et indépendance

lcorr

Le groupement de bosons

Explication par la mécanique quantique

Toutes les amplitudes de probabilité s’additionnent (pour des bosons).

Les amplitudes interfèrent

On mesure des intensités (l’arrivée d’atomes).

ceci donne des interférences

L’amplitude du groupement

Le groupement de bosonsL’amplitude du groupement

a b

1 22

1221

ba

2

1221 baba 2

2

12212

baba 21

Le groupement de bosonsFonction de corrélation

bosons « thermiques »

Le groupement de bosons

a b

1 22

1221

ba

2

1221 baba 2

2

12212

baba 21

11

11 ba

1112ba

L’amplitude du groupement

Le groupement de bosonsFonction de corrélation

bosons « thermiques »

condensat pur

Le groupement de bosonsManifestation expérimentale

Manifestation du groupementCollisions

Plus g(2)(0) augmente, plus il y a de collisionscondensationsuppression du groupementg(2) diminue

Sur des images en absorptionCorrélation sur le bruit des images

Nature 434, 481 (2005)

Phys. Rev. Lett. 79, 337 (1997)

Phys. Rev. Lett. 77, 3090 (1996)

Comptage d’atomes individuelsC’est une mesure de g(2) directe et sensiblePremière expérience : Yasuda & Shimizu (96)

Plan de l’exposéLe groupement de bosons

PrésentationCorrélation et indépendanceL’amplitude du groupementFonction de corrélationManifestation expérimentale

Comment mesurer le groupement ?

Expansion des nuagesRôle du détecteur

Modifications du montage expérimental

Un nouveau détecteurModifications réalisées

Perspectives d’évolution

x,y,t

Le principe de la mesure :

montage expérimental

Comment mesurer le

groupement ?

On enregistre les positions et les instants de chaque détection d’atome.

Le détecteur

Le nuage d’atomes

Questions ?

Expansion des nuages :connaissances sur la densitétraduction sur g(2) ?

Rôle du détecteurdiscrétisation atténuation

Expansion des nuages

Comment mesurer le groupement ?

Expansion

Comment mesurer le groupement ?

Expansion des nuages

?

lr tlr

r tm

p

lp mlr

Propriétés du piège

Le groupement de bosons

Approche optique pas de « groupement » longueur de cohérence (taille des tavelures)

Le groupement : approche optique

champ lointain tl Tcohérence .

L

lcohérence.

Optique :

Optique atomique :

L

l dBcohérence

.

Existe-t-il un changement d’échelle ?

Expansion des nuages

Comment mesurer le groupement ?

Conditions de validité ?

Si oui, on connaît tous les moments

densité

G(2)

Calcul sur la densitéCalcul valide pour un gaz parfait

Comment mesurer le groupement ? Expansion des nuages

21)( tt ii

Ou pour un gaz totalement condensé et très anisotrope

yxz ,/ t.

Comment mesurer le groupement ? Rôle du détecteur

pixellisationdiscrétisation

moyennage problème de résolution

histogrammes

Discrétisation

Longueur de corrélation :

31 m x 760 m x 250 s résolution > 30 m chute du signal

g(2)()

Comment mesurer le groupement ? Rôle du détecteur

%

K

amplitude de signalen fonction de la température

K

(mm)

Longueur de corrélation :

31 m x 760 m x 250 s résolution > 30 m chute du signal

Conclusion

séparation entre deux détections : r (mm)

g(2)

(r)

Hanbury Brown Twiss Effect for Ultracold Quantum GasesPublié en ligne le 15 September 2005 dans Science Express Reports

Conclusion

séparation entre deux détections : r (mm)

g(2)

(r)

Hanbury Brown Twiss Effect for Ultracold Quantum GasesPublié en ligne le 15 September 2005 dans Science Express Reports

Plan de l’exposéLe groupement de bosons

PrésentationCorrélation et indépendanceL’amplitude du groupementFonction de corrélationManifestation expérimentale

Comment mesurer le groupement ?

Expansion des nuagesRôle du détecteur

Modifications du montage expérimental

Un nouveau détecteur Modifications réalisées

Perspectives d’évolution

Montage expérimental Un nouveau détecteur

8 cm

Montage expérimental Un nouveau détecteur

Perte de sensibilité

Montage expérimental Un nouveau détecteur

Quelle est sa résolution ?Fonctionnement d’une ligne à retard

La résolution, c’est le temps de propagation

400 ps

500 m

Longueur de corrélation :

31 m x 760 m x 250 s

Montage expérimental Modifications réalisées

détecteur 3D

détecteur d’ions

accès optique

Perspectives d’évolution

Un système de comptage Collision de condensats

création de paires corrélées

Un détecteur tridimensionnel mieux distinguer les nuages de formes

différentes

mieux repérer les faibles fractions condensées

étude de la croissance du condensat

mieux repérer la température de transition

(aussi avec les ions)

Perspectives d’évolution

Rôle des interactions Prévoir leur influence sur g(2)

Cas des nuages 1D

De nouveaux accès optiques créer des potentiels de piégeage optique : réseaux

manipulation du nuage atomique : séparer et recombiner

L’équipe He*

Les anciensOlivier SirjeanSigne Seidelin

Le groupement de bosons

Jose GomesRodolphe HoppelerMartijn SchellekensAurélien Perrin

Les nouveauxValentina KrachmalnicoffHong Chang

Les permanentsAlain AspectChris WestbrookDenis Boiron

FIN

Rôle des interactions sur g(2)

(hors champ moyen)dans le piège ?après expansion ?

Comment mesurer le groupement ? Rôle des interactions

Les interactions dans le piègeinfluence aux courtes distances

simplification modèle de sphère durel’effet sur g(2) est-il perturbatif ?

Comment mesurer le groupement ? Rôle des interactions

effet dramatique

résultat dans le piège (pour un gaz thermique)

après expansion, l’effet est-il toujours présent ?

Montage expérimental Description du montage originel

Injecter l’hélium

Montage expérimental Description du montage originel

Exciter l’hélium

Montage expérimental Description du montage originel

Ralentir le jet atomique

Montage expérimental Description du montage originel

Piéger les atomes

PMO

Montage expérimental Description du montage originel

Refroidir les atomes

PM

Montage expérimental Description du montage originel

Caractéristiques

PM

fréquences d’oscillation :rad.s-1

rapport d’aspect 25

nombre d’atomes :dans un nuage thermique : qqes 106

dans un condensat pur : qqes 105

température critique :de l’ordre de 1 K

11352 472// rad.s-1

Montage expérimental Modifications réalisées

Encombrement du détecteur

Montage expérimental Modifications réalisées

Déplacer la table optique

avant après

Le groupement de bosonsSymétrisation

Interférences : qu’est-ce qui interfère ?Les amplitudes de probabilités. (ex: interféromètre de Michelson)

Principe de l’expérience de Hanbury Brown & TwissCorréler les intensités

L’amplitude de probabilité est toujours bruitéeLe bruit n’est pas forcément corrélé aux fluctuations du signal

Notre expérience est sur le même principe.On observe des intensités(On symétrise quand même sur les amplitudes)

Le groupement de bosonsSymétrisation

{|i}i[1,n]

Détection de n particules parmi n.

|1|2|3…|nn! possibilités

|état=1/n! | | | …|

Si le détecteur ne fait pas la distinction :A détecté = 1/n! x n! = n!P détecté = n!

2

n(n-1) |état=1/n(n-1) | |

A détecté = n(n-1)P détecté = 2

Probabilité du tirage :2

)1(2

nnCn

Calcul valide pour un gaz isotropeparfait

résoudre

oudans la limite de Thomas-Fermi

résoudre

Ou pour un gaz totalement condensé et très anisotrope

Comment le mesurer? Expansion des nuages

Comment mesurer le groupement ? Rôle du détecteur

Moyennage

Longueur de corrélation :

31 m x 760 m x 250 s

Montage expérimental Description du montage originel

condensat

gaz thermique

d

Refroidir pour condenser

Montage expérimental Description du montage originel

d

Densité du nuage dans l’espace des phases

p

r

condensat gaz thermique

612,2. 3 dBn

..941,0 3/1NTk cB