Olivier Sirjean

Collisions ionisantes :un nouveau diagnostic pour les

condensats de Bose-Einstein d’hélium métastable

Olivier Sirjean

Soutenance de thèse de doctorat, 27 Juin 2003

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k B T

Longueur d’onde de de Broglie thermique :

La condensation de Bose-Einstein

Critère : n ~ 1 , avec 1/T 1/2

d = n-1/3

k B T

3

Pourquoi obtenir un CBE ?

• Source cohérente d’ondes de matière pour l’Optique Atomique ("laser à atomes").

interférences, battements …

1995 : Première observation expérimentale de la condensation

de Bose-Einstein dans un gaz dilué de rubidium.

Prix Nobel de Physique 2001.

• Fluide quantique dilué et au-delà,...

modélisation simple des interactions .

lien avec la superfluidité .

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Particularités de l’hélium métastable

• 4He dans l’état 2 3S1 (He*).

• Originalité de l’He*

collisions Penning.

He* + He* He + He+ + e-

Observation des ions produits par le condensat nouveau diagnostic.

He*

He+

20 eV d’énergie interne détection électronique rapide et efficace.

e-

1 canal du MCP

2 kV

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Particularités de l’hélium métastable

• 4He dans l’état 2 3S1 (He*).

• Originalité de l’He*

collisions Penning.

He* + He* He + He+ + e-

Observation des ions produits par le condensat nouveau diagnostic.

He*

He+

20 eV d’énergie interne détection électronique rapide et efficace.

e-

1 canal du MCP

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Atomes métastables

C. Westbrook, A. Aspect IOTA, Orsay

M. Leduc, C. Cohen-Tannoudji ENS, Paris

W. Hogervorst, W. VassenAmsterdam

G. Birkl, W. ErtmerHannovre

H.C.W. Beijerinck, E.J.D. Vredenbregt Eindhoven

Australie

Allemagne

France

Japon

Pays Bas

USA

He*{{Ne*

He*, Ne*, Ar*, Kr*, Xe*

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A) Obtention des condensats d’He* et détection

- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ionsB) Le signal d’ions

- nouveaux diagnostics- suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat

Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*

C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation

Conclusion et perspectives

Plan de l’exposé

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A) Obtention des condensats d’He* et détection

- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ionsB) Le signal d’ions

- nouveaux diagnostics- suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat

Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*

C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation

Conclusion et perspectives

Plan de l’exposé

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Piège magnéto-optique :

Réalisation expérimentale

Piège Cloverleaf

@ 240 A : B0 : 0.3 to 200 G ;

B’ = 87 G / cm ; B’’= 16 G / cm2

z / 2 = 47 Hz ; / 2 = 1800 Hz

(1200 Hz)

Piege magnétique :

108 At @ 1mK106 At @ 1K

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gE

e-

E

hRF

h hRF énergie

1. Troncature de la distribution d’énergie

T diminuedB et augmentent !!

2. Thermalisation

Grâce aux collisions

élastiques

Distribution d’énergie = e-E/kBT * (densité d’état)

Refroidissement évaporatif

Détection des atomes : le temps de volEvolution des signaux observés après la coupure du piège au cours de l’évaporation.

MCP

g

h

• Ajustements N th , T , N 0 , µ

Double structure Signature du CBE

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Détection des ionsHe+

Discri. TempsMort

CompteurPCI

-30 V

Enregistrement :Temps entre chaque impact.

Analyse :Flux en fonction du temps.

Comptage signal à bruit limité par « bruit de grenaille »

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A) Obtention des condensats d’He* et détection

- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ions

B) Le signal d’ions- nouveaux diagnostics- suivi en direct et non perturbatif de la naissance du condensat

Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*

C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation

Conclusion et perspectives

Plan de l’exposé

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Collisions avec le gaz résiduel :Mesures de durée de vieHe* + X He (1 1S0) + e - + X+

Exemple : X = H2O

indépendant de la densité Nombre d’atomes

NdtdN

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Collisions avec le gaz résiduel :Evolution du nombre d’atomes

Ions + atomesAtomesIons

16

Collisions à 2 et 3 corps :Suivi de la densité du nuage

He* + He* He (1 1S0) + He+ + e -

He* + He* + He* He*(1 mk) + He (1 1S0) + He+ + e -

Dépend de la densité !

17

Naissance du condensat

Temps(s)

Flux

d’i

ons

déte

cté

(cps

/s)

Tem

ps d

e V

ol

18

Naissance du condensatFl

ux d

’ion

s dé

tect

é (c

ps/s

)

Tem

ps d

e V

ol

Avant !Au seuil !Apres !

Fonction Bose

Gaussienne

19

Expression du taux d’ionsHe* + He* He (1 1S0) + He+ + e -

He* + He* + He* He*(1 mk) + He (1 1S0) + He+ + e -

!21

CBE dilué

!31

20

Simulation de la formation

Total

3 corps

2 corps

1 corps

21

A) Obtention des condensats d’He* et détection

- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ionsB) Le signal d’ions

- nouveaux diagnostics- suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat

Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*

C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation

Conclusion et perspectives

Plan de l’exposé

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Principe des mesures

!21

CBE

!31 2

CBE

3

Méthode :Mesurer : Φi , N , n pour un même échantillon

Sur CBE pur !

t12 s t1 + 0.1 s

0.01 s

Difficulté :Mesurer les grandeursde façon absolue !

Temps de vol : N et n via

23

Mesures sur des condensats purs : paramétrisation

Approximation T-F

Mesure de n0 et N nma 1020

nma 816

24

Mais : grande longueur de diffusion effet des interactions important

Prise en compte de la Déplétion quantique

Correction importante ( ~ 0.25 pour les densités les plus élevées) Même si le N (déplétion quantique) est faible ( qq % )

Collisions à 2 corps : correction 2 fois plus faible

!2

12

!3

13

Pour des condensats dilués : fonctions de corrélation locales

ShlyapnikovCornell, Wieman

)1(33

30

72anA

Shlyapnikov

84.0A

Mesures sur des condensats purs : effet des interactions

25

Ajustement (, L) pour chaque valeur de a

Pour chaque point :

N et n0 via (TOF) et Taux d’ions

Vérification CBE pur (>90%)

courbure 3-corps (L) joue un rôle non-négligeable !!

n0

n0

Mesures sur des condensats purs

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Mesures sur des condensats purs : Résultats

Prédictionsthéoriques

Dépendance due paramétrisation

Mesures sur des nuages thermiques au seuil : paramétrisation

Temps (s)Fl

ux d

’ion

s dé

tect

é (c

ps/s

)

Indépendant de a !

Mesure de Tc ns et Ns

28

Mesures sur des nuages thermiques au seuil

29

Résultats

Res. Bec purs

Res. Therm. seuil

Res. Bec pursRes. Therm. seuil

Prédictionsthéoriques

Dépendance due paramétrisation

30

Résultats

Erreur Statistique Erreur systématique :Efficacité absolue de détection des ions

Autre erreur systématique à étudier : effet d’une expansion dans le régime hydrodynamique

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A) Obtention des condensats d’He* et détection

- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ionsB) Le signal d’ions

- nouveaux diagnostics- suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat

Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*

C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation

Conclusion et perspectives

Plan de l’exposé

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Conclusion et perspectivesAtomes métastables Signal d’ionisation

un signal • supplémentaire, complémentaire• en temps réel• “non-perturbatif”

- qualitativement rupture de pente : apparition du CBE

- collisions à 3 corps importantes

- vers du quantitatif : mesures de et L (pour quelle valeur de a nos résultats sont cohérents)

Nous espérons (meilleure calibration de N, ou mesure indpt de a )

-Montrer expérimentalement * le déplacement dû aux interactions* l’effet de la déplétion quantique

-suivre quantitativement la formation du CBE en une seule réalisation

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Merci à ...

• L’équipe He* Antoine Browaeys

Alice Bobert Denis Boiron

Signe Seidelin Chris WestbrookJosé Gomes

Alain AspectRodolphe HopplerMartejn Schellekens

• Le groupe d’Optique Atomique et ses électroniciensAndré VillingFrédéric Moron

• Les différents services de l’IOTALe service des TPL’atelier de mécaniqueLe service techniqueL’atelier du verreL’accueil-reprographie,…

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L’équipe He*

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Détection des ionsHe+

Discri. TempsMort

CompteurPCI

-30 V

Enregistrement :Temps entre chaque impact.

Analyse :Flux en fonction du temps.

Fit donne F=49(±1) 103

Pas de double comptage

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Et la décroissance….

Bouclier-rfSans Bouclier-rf

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Raman transitions

2 faisceaux co-propageants(non-sélectif en vitesse)Avec polarisation et

38

ccB

cBc

a

Tk

TkI

35.12

~48.2202.1

'

13

))(2)((

1exp

)(

1),,( 2/33

rgnrVTk

gT

rTnB

ccBcccBc

a

TkL

a

Tk

50.19

~62.665.0

1

3

149.13

~63.366.0

1

2

163

Densité dans l’approximation de champ moyen :

1. Ordre perturbation (Stringari)

Énergie de point zéro Interactions

Interactions