Gabriel DUTIER Cavité nanométrique de vapeur de Césium : spectroscopie à haute résolution et...

Gabriel DUTIER

Cavité nanométrique de vapeur de Césium : spectroscopie à haute

résolution et interaction de surface de type van der Waals

Université Paris 13Villetaneuse

Laboratoire de Physiquedes Lasers

Institut Galilée

I. HamdiA. Yarovitski (Lebedev Physical Institute,

Moscow)S. Saltiel (University of Sofia, Bulgaria)M. FichetM-P. GorzaD. BlochM. Ducloy 

Laboratoire de Physique des Lasers

Equipe OCR :

INTRODUCTIONObjectif et finalité : OCR dans FASTnet, étude des effets liés au confinement d’un système atomique proche d’une paroi physique.Problématiques :• QED en cavité, modification d’état atomique• Spectroscopie, propriété de vapeur à l’interface d’une fenêtre

Résultats antérieurs :• Potentiel répulsif (réflexion sélective)• Cellule mince (10 à 100 microns) : trop large

Projet en début de thèse : Sonder très proche des surfaces (5 nm) : croisement de niveaux

En cours de thèse : Utilisation des nouvelles cellules ultra minces (nanométriques)

PLAN DE L’EXPOSÉ

1. Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces

2. Spectroscopie en Cellule Ultra Mince

3. Interaction Atome-Surface : 1. - van der Waals attractif2. - van der Waals résonnant3. - Croisement de niveaux

4. Conclusion et perspectives

LES CELLULES MINCES (jusqu’à 100 µm)

Sélection de vitesse :

L/v >> : Régime permanent

L/v : Régime transitoire

-1γ-1γ

Spectre sub-DopplerFaisceaux à incidence normale

- Vapeur diluée : vol de paroi à paroi

- Désexcitation optique par collision sur les parois

faisceaulumineux

Absorption d’une vapeur atomique en Cellule Mince :

Absorption Usuelle en Cellule Macroscopique Terme de phase

Λteg e1

Λ

1z/vtσ

kvδiγΛ avec eg

Atome à 2 niveaux :

Absorption :

Sub-Doppler pour :

µm6~kuγ

2/L

eg

: Rétrécissement Dicke cohérent2

L

L

eg 0 0

ΔIα W v dv σ t z/v dz

I

ΛL

v20

ΔI L vα W v (1 e ) dv

I Λ Λ

La Réflexion Sélective (cellules en volume)

Fenêtre Vapeur

Réflexion Sélective Transmission

0 0 )2exp()( dzikzzPRS

• P0(z) : Réponse atomique en régime transitoire (z=vzt)

• Le signal de réflexion sélectif est dispersif

• FM = d(RS)/d : sélection de vitesses lentes

• exp(2ikz) : épaisseur sondée ~/4

(à incidence normale)

Méthode d’investigation de l’interaction de vW

Absorption d’une vapeur atomique en Cellule Ultra Mince (<1 µm) :

Réflexion Sélective +

Réflexion 2ème fenêtre+ ...

Fabry-Perot :

Transmission+

Réflexion 1ère fenêtre+ ...

F

rIIS bf

trans

F

)2ikLexprI(IikLexpkLsinS fb

reflexion

1n

1nr

22 2ikLexpr1F zdzP2iε

kI

L

0of

zexp(2ikz)dzP2iε

kI

L

0ob

n1 r r n1

: Absorption

: Dispersion

CELLULE ULTRA MINCE (<1 µm)

• Fenêtres : - YAG ou Saphir

- Très bien polies

• Cellule sous vide : La pression atmosphérique déforme le volume interne localement

• Vapeur de Césium à l’intérieur.

MESURE D’ÉPAISSEUR

Interface

Cellule Ultra Mince

f = 10 cm

1ère fenêtre

faisceau sonde

• Cellule Ultra Mince = Fabry-Perot

• Intensité réfléchie à l’interface = f(d, )

0 213 426 639 852 1065 1278

Epaisseur (nm)

852 nm

MESURE D’ÉPAISSEUR

Précision ~ 10 nmEpaisseur entre les fenêtres : 30 à 1300 nm

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

2.4

2.8

0 200 400 600 800 1000 1200

Réflexion interface / Réflexion 1ère fenêtre

Epaisseur (nm)

633 nm

852 nm

1300 nm

YAG

Mesure du coefficient de réflexion 633 nm 894 nm 1300 nm

PLAN DE L’EXPOSÉ

1. Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces

2. Spectroscopie en Cellule Ultra Mince

3. Interaction Atome-Surface : 1. - van der Waals attractif2. - van der Waals résonnant3. - Croisement de niveaux

4. Conclusion et perspectives

Transition D1 du Cs à 894 nm :

Le montage expérimental :

•Diamètre du faisceau focalisé = 100 µm

•P = 100 nW

6S1/2

6P1/2

9 GHz

1.2 GHz

F=3

F=4

F=3

F=4

PD2PD1

Cellule Ultra Mince

f = 10 cm

f = 10 cm

Spectro Linéaire

EXPERIENCE

1150 nm

890 nm

450 nm

100 MHz

Résultats expérimentaux : rétrécissement Dicke cohérent

Transmission FMCs(D1) Transmission Directe

/2

~3/2(x0.8)

(x1)

(x0.9)

1235 nm

890 nm

447 nm

100 MHz

Résultats expérimentaux :Cs(D1) Transmission Directe

(x0.8)

(x1.7)

(x1)

(x1)

(x1.4)

(x1.8)

(x0.9)

(x7.6)

(x1.8)

(a)

1235 nm

1110 nm

1005 nm

890 nm

780 nm

670 nm

447 nm

335 nm

220 nm

100 MHz

(x6.7)

(x2.4)

(x1.3)

(x2.6)

(x1.6)

(x1)

(x1.4)

(x1.7)

(x1)

(b)

11/8

5/4

9/8

7/8

3/4

/2

3/8

/4

100 MHz

Expérience :

Théorie :

670 nm

447 nm

335 nm

220 nm

100 MHz

/4

3/4

/2

3/8

100 MHz

Résultats en réflexion:

Expérience :

Théorie :

PLAN DE L’EXPOSÉ

1. Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces

2. Spectroscopie en Cellule Ultra Mince

3. Interaction Atome-Surface : 1. - van der Waals attractif2. - van der Waals résonnant3. - Croisement de niveaux

4. Conclusion et perspectives

Interaction Atome-Surface

•Van der Waals augmente pour les états excités :

Rydberg (Haroche et Hinds, YALE)

j

i iDjz

vW2

312

1

••videfenêtre

z

•Modèle des Images Electriques :

D : Opérateur dipolaire

3

22

)2(2

1

z

iDDivW

z

i

Plusieurs potentiels vW théoriques entre deux fenêtres

• Echelle Log

• 70% épaisseur utilisée

-0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,31,2

1,0

0,8

0,6

0,4

x = /d

Dép

lace

men

t (M

Hz)

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,010000

1000

100

10

1

0,1

Dép

lace

men

t (M

Hz)

x = /d

YAG D1 CsL = 2d = 200 nm

Images multiples 2 fenêtres 1 fenêtre

F=4F=3

1 GHz

225 (5)nm

53 (3)nm

90 (5)nm

Déplacement rouge

><

> <

Transmission FM, Cs(D1), fenêtres en YAG

1 seule surface :

C3=2 kHz.m3

A 100 nm :déplacement=2MHz

33

z

CvW

Déplacement rouge : 10 MHzLargeur : 70 MHz

Déplacement rouge : 90 MHzElargissement : 170 MHz

Déplacement rouge : 200 MHzElargissement : 600 MHz

Réflexion FM, Cs(D1), fenêtre en YAG

-800 -400 0 400 800 1200 1600 2000-800 -400 0 400 800

EXPERIENCE

Déplacement, MHz

60 nm

80 nm

90 nm

130 nm

53 nm

Déplacement, MHz

F = 4F = 3

THEORIE

Couplage Résonnant (dispersif) entreCs (6D3/2) et la Surface de Saphir

Couplage en EMISSION(uniquement pour niveaux excités)

Emission atomique virtuelle couplée avec l’absorption virtuelle d’un polariton de la surface diélectrique

Surfacede saphir

21m12 m

Césium

876 nm

12.15 m

6 P1/2

1/2

894 nm

15.57 m 6 D3/2

7 P1/2

7 P3/2

6 S

Le niveau Cs(6D3/2)-saphir : diélectrique dispersif

u

uiu

iuiDj

zvW

ij

ij

ij

ij

ij

ji d

1)(

1)(2)(

1)(

1)(

12

122

2

3

Cs (6D3/2)-saphir :Potentiel Répulsif

Le niveau Cs(6D3/2)-saphir : diélectrique dispersif

1 seule surface :

Niveau Résonnant : C3 = -160 kHz. m3 (valeur expérimentale)Déplacement = -160 MHz à 100nm

33

z

CvW

En transmission :• excitation à deux photons

- co(-contra)propageant

- configuration à 60°(à Brewster)

Dans les deux cas : - effets Stark dynamique non maîtrisés- petites épaisseurs non atteintes

• excitation par étapes 6S1/2-6P1/2 (894 nm) + 6P1/2-6D3/2 (876 nm)

Peuplement du niveau 6P1/2 aux faibles épaisseurs ?

Le niveau 6D3/2 en Cellule Ultra Mince : fenêtres en saphir

6S-6P 6P-6D

ktotalk6S-6P

k6P-6D

1 GHz

220 nm

SA

160 nm

140 nm

• Excitation par étapes du niveau 6D3/2 • Sonde sur 6P-6D (876 nm) - Elargissement

- Asymétrie

- Déplacement Bleu

Transmission directe en Cellule Ultra Mince : fenêtres en saphir

« Croisement de niveaux » :

z ~ 5 nm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

1.3 THz

Cs(6D3/2

)

Cs(6D5/2

)

-160 kHz.m3 / z3

+10 kHz.m3 / z3

Dé

pla

ce

me

nt

de

s n

ive

au

x

(T

Hz)

Distance à la fenêtre en saphir (nm)

THz24500 25000 25500 26000

-0.1

-0.05

0.05

0.1

Coef. d’image diélec (MHz.µm3)

••

Evolution du couplage résonnant entre le niveau 6D3/2 et la surfacede saphir avec la distance :

5 nm

50 < d < 500 nm

5 nm

« Croisement de niveaux » :

z ~ 5 nm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0

1

2

Cs(6D3/2

)

Cs(6D5/2

)

-160 kHz.m3 / z3

+10 kHz.m3 / z3

Dépla

cem

ent

des n

iveaux

(TH

z)

Distance à la fenêtre en saphir (nm)

?~1-50 GHz

Croisement évité entre les 2 potentiels : états liés

Le laser 917-921 nmLe laser 917-921 nm Laser à 920 nm avec une cavité étendue

en configuration Littman.

Balayable sur 6 nm (1.7 THz)

entre 916 nm et 922 nm.

Résolution spectrale du système de 0.3 GHz (-mètre).

Spectroscopie dans les ailes de raies :

sensibilité jusqu’à 10-5-10-6 de l’absorption

Césium

917 nm

6 P 3/2

6 S 1/2

852 nm

6 D 5/2

6 D 3/2

921 nm

917 918 919 920 921 9220,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

6P3/2

- 6D3/2

6P3/2

- 6D5/2

Tra

nsm

issio

n r

ela

tive

Longueur d'onde, nm

917 918 919 920 921 922

0

1x10-4

2x10-4

3x10-4

4x10-4

5x10-4

6x10-4

7x10-4

Tra

nsm

issio

n r

ela

tive

Longueur d'onde, nm

• Transmission à d = /2 = 458 nm

• T=250°C

PLAN DE L’EXPOSÉ

1. Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces

2. Spectroscopie en Cellule Ultra Mince

3. Interaction Atome-Surface : 1. - van der Waals attractif2. - van der Waals résonnant3. - Croisement de niveaux

4. Conclusion et perspectives

Conclusion

1. Epaisseur sondée et mesurée à 10 nm près

2. La réponse optique en Cellule Ultra Mince est un mélange absorption-dispersion

3. Interaction Atome-Surface : - van der Waals attractif : observation et modélisation

- van der Waals résonnant : en cours...

- Croisement de niveaux : pas d’effet à mieux que 10-5-10-6

917,0 917,5 918,0

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008- 11 GHz

T = 308/330d = 32 nmP

852 = 2.6 mW

abs pompe (852) = 5%

Ab

so

rptio

n

nm

• Résolution Spatiale du van der Waals

Transmission en Cellule Ultra Mince à d = 32 nm

PERSPECTIVES :

multiplesimageszdz

vW

33 )(

11

PERSPECTIVES (suite) :

• 2 fenêtres : images multiples

d

fenêtre fenêtre

Grandes différences pour le 6D3/2 (interférences)

• Piège à atomes entre deux potentiels répulsifs en Cellule Ultra Mince :

- Deux potentiels van der Waals répulsifs- Deux Ondes Évanescentes

PERSPECTIVES (suite) :

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0

X=/L

PERSPECTIVES (suite) :

• Interaction van der Waals atome-atome en cavité : Transmission en milieu dense > 1014 at/cm3

Observation de différences entre les 4 transitions hyperfines de Cs(D1) avec la pression

Épaisseur sub-longeur d’onde : d<ij

+ ...