Collisions froides entre atomes et molécules dans un piège dipolaire

Dynamique de l’interaction dipôle-dipôle dans un gaz de Rydberg froid

Collisions et interactions froides :

Nassim ZAHZAM, Thibault VOGT, Marcel Müdrich, Daniel COMPARAT, Pierre PILLET

Séminaire interne LKB 03/02/2006

Collisions froides entre atomes et molécules

dans un piège dipolaire

Etudes collisionnelles sur le césium : Interactions molécule-atome, molécule-molécule

Validation de modèles théoriques Refroidissement évaporatif moléculaire BEC moléculaire

Piégeage de molécules froides

Motivations

Nécessité d’un piège mixte atomique et moléculaire

Piège magnétique (2002 au LAC) : - Piégeage uniquement de molécules avec un moment magnétique

(potentiel triplet pour Cs2)

Piège dipolaire CO2 : - Piégeage indépendamment de l’état interne des particules

- Densité de particules trop faible pour étudier les collisions inélastiques

- Densité deux ordres de grandeurs plus élevée que dans un piège magnétique

Obtenir un échantillon de molécules froides

CO2(~ 10,6 μm) >> at(~ 0,85 μm)

Laser CO2 de forte puissance (~ 110 W) très désaccordé vers le rouge des transitions énergétiques :

Particules attirées vers les régions de forte intensité

Généralisable à toute particule polarisable 2 αstat(Cs) ~ αstat(Cs2)

Potentiel de piégeage :

Piège conservatif pour Cs et Cs2

4’ - Piège dipolaire purement moléculaire

5 - Photoionisation et détection

3 - Photoassociation et formation de molécules froides

non conservatif, non applicable au piégeage de molécules

Lasers MOT

Lasersrepompeurs

1 - Piège Magnéto-Optique

Principe de l’expérience

2 - Piège dipolaire atomique

Laser CO2

(piège dipolaire)

Laser TiSa(PA)

4 - Piège dipolaire atomique et moléculaire

Laser Pulsé(PI)

EGalettes

microcanaux

Cs2+ Cs+

Cs~ 850 nm

Piège dipolaire moléculaire :

Profondeur ~ 1,5 mK Fréquences : 840Hz / 24Hz Nmol ~ 104

Tmol ~ 40 μK6s1/2

6p3/2

h- h’0 = h

Caractéristiques du piège dipolaire CO2

Puissance ~ 110 W Waist ?

Décalage Stark des raies de PA dans le piège dipolaire :

Waist ~ 84 μm

Ajustement des raies de PA : Tat~ 40 µK dans le piège

+

Analyse des raies de PA dans le piège dipolaire atomique

Waist ~ 84 μm

Piège dipolaire atomique :

Profondeur ~ 0,9 mK Fréquences : 890Hz / 25Hz Nat ~ 3.105

Tat ~ 40 μK

Piège dipolaire d’atomes Cs

Durée de vie du piège atomique:6s

f=4

f=3

EHF = kB x 440 mK

Atomes f=4 instables vis-à-vis des collisions binaires inélastiques avec changement de structure hyperfine :

Décroissance non exponentielle

Atomes f=3 stables vis-à-vis des collisions binaires inélastiques :

Décroissance exponentielle

Densité atomique initiale ~ 4.1011 at/cm-3

Durée de vie atomique due au gaz résiduel : ~ 2,7 s -1

Piège dipolaire de molécules Cs2

Molécules seules

Molécules +

atomes

Atomes f=3

Mise en évidence de collisions inélastiques molécule-atome

Evolution du nombre de particules dans le piège :

Piège dipolaire de molécules Cs2

Taux de collisions inélastiques Molécule-Atome

Nbr. d’atomes (x105)

Du

rée d

e v

ie m

ol.

(m

s)

Evolution du nombre de molécules dans un piège mixte :

Taux de collisions inélastiques molécule-atome ~ 2,6 x 10-11 cm3/sTaux élevé, proche du taux atome-atome BEC moléculaire instable

Etude en changeant l’état photoassocié (v’,J’) état de la molécule piégée différent

Piège dipolaire de molécules Cs2

Collisions en fonction de l’état interne moléculaire (v,J)

Etudes théoriques taux de collisions décroient lorsque le niveau vibrationnel des molécules piégées diminue

PA vers v’=6 Og-(p3/2)→ v=33-47 du triplet

PA vers v’=103 Og-(p3/2)→ v=7-9 du triplet

PA vers Ou+(p1/2)→ v ~ 132 du singulet

Taux de collisions ~ identiques

- Désaccord avec les travaux théoriques ?- En accord avec les résultats expérimentaux obtenus dans le groupe de M. Weidemüller

Temps de piégeage (ms)

Nom

bre

de m

olé

cule

s

Piège : molécules + atomes

Piège dipolaire de molécules Cs2

Durée de vie d’un piège purement moléculaire

Estimation du taux de collisions ~ 10-11 cm3/s

Collisions inélastiques molécule-molécule :

Incompatible avec l’obtention d’un BEC moléculaire stable

Néanmoins nombre de molécules trop faible pour limiter appréciablement la durée de vie du piège moléculaire

Collisions molécule-gaz chaud :

Comparaison avec piège magnétique moléculaire Pas d’influence du CO2 sur sur la durée de vie moléculaire

Molécules seules

Atomes f=3

durée de vie limitée par le gaz résiduel

Formation de molécules dans l’état (v=0,J=0) : PA Raman, impulsions façonnées

Détermination de la durée de vie de l’état triplet de plus basse énergie

Détection : Photoionisation moléculaire à 1 photon augmentation de l’efficacité de détection

Perspectives :

Nature bosonique de l’atome de césium : taux de collisions inélastiques très élevés Echec de BEC moléculaires à partir de bosons (Na, Rb, Cs)

Piège dipolaire de molécules Cs2

Conclusions et perspectives

Solutions théoriques proposées : diminuer l’énergie interne des molécules froides piégées

Taux de collisions semblent indépendants des niveaux moléculaires étudiés Solution : molécules (v=0, J=0) → Collisions inélastiques

énergétiquement interdites

Section efficace de collisions avec le gaz résiduel 4 fois plus importante pour des molécules froides que pour des atomes froids

Atomes fermioniques (40K,6Li) : Taux de collisions deux ordres de grandeur inférieurs BEC moléculaires avec durées de vie jusqu’à 10 s

Taux de collisions inélastiques molécule-atome (= 2,6 x 10-11 cm3/s ) et molécule-molécule (= 1,0 (5) x 10-11 cm3/s ) très élevés

Dynamique de l’interaction dipôle-dipôle dans un gaz de

Rydberg froid

Atomes de Rydberg

Atomes avec électron très éloigné (n >20) :

Taille énorme 2 n2 a0 ~ 0,1 μm (n=30)

Fortes interactions Dipôle électrique important n2 qe a0 ~ 1000 D

Champ d’ionisation faible n-4 ~ 200 V/cm Facile à détecter

Durée de vie longue n3 ~ 20 μs Temps de cohérence long

AtomesAtomesde Rydbergde Rydberg

Etats exotiques de la matièreMolécules de Rydberg (trilobite)

Information quantiqueAstrophysique

Chaos quantique

TransitionRydberg ↔ plasma

Intérêts et applications

Porte de phase Blocage dipolaire

Rydberg chauds vs Rydberg froids

Haute température (~ 300 K) :

-Temps entre 2 collisions (10 ns) << Durée de vie (20 μs)- Eint << Ec

- Système décrit par des collisions binaires

Basse température (~ 100 μK) :

- Temps entre 2 collisions (600 μs) >> Durée de vie (20 μs)- Eint (~ 15 MHz) > Ec (~ 2 MHz)- Interactions statiques à N corps

Vision d’un gaz de Rydberg gelé en interaction

Jusqu’à quel point …

v

Transfert résonant d’énergie

Interaction dipôle-dipôle

Ens(ε)

Champ électrique

Energie

εres

E(n+1)s(ε)

Enp(ε)

Diagramme Stark :

2 Enp(εres ) = Ens (εres) + E(n+1)s (εres)

Transfert résonant d’énergie pour ε = εres :

Transfert par interaction dipôle-dipôle Vdd :

np(n+1)snsnp

Vdd

np + np ↔ ns + (n+1)s

Création d’une superposition cohérente de 2 états à 2 atomes :

|+ |np,np + |ns,(n+1)s

|- |np,np - |ns,(n+1)s

εres

Spectrosocopie haute résolution

But : Résoudre spectroscopiquement l’interaction dipôle-dipôle

Vdd~ 10 MHz Il faut une spectroscopie haute résolution pour sonder le gaz de Rydberg en interaction

Utilisation d’un laser Ti:Sa continu de largeur spectrale 1 MHz

+

Laser à colorant pulsé large bande (2 GHz)

Mise au point de deux schémas de spectroscopiepour sonder les interactions entre atomes de Rydberg

Etude de la dynamique de cohérence de l’interaction

2eme schéma :1er schéma :

Spectrosocopie haute résolution

Deux schémas : spectroscopie de dépompage

Schéma Continu-Continu- Grande efficacité de dépompage- Nombre d’atomes excités réduit

Schéma Pulsé-Continu- Excitation d’un grand nombre d’atomes- Efficacité de dépompage réduite

Laserpulsé

GalettesMicro-canaux

LaserTi:Sa

Dispositif expérimental :

Spectrosocopie haute résolution

Piège Magnéto-Optique : ~ 107 atomes densité ~ 1010 cm-3

température ~ 100 μK

Atomes de Rydberg : densité ≤ 109 cm-3

T ~ 100 μK

Oscillation cohérente entre les états s et p :

Dépompage des atomes p et s

ε=43,93 V/cm

Réaction de transfert résonant considérée :

25p + 25p ↔ 26s + 25s avec εres = 44,03 V/cm

Dépompage des états p d’un gaz de Rydberg s et p :

Rydberg s également dépompés

Rydberg s retransformés en ppuis dépompés

|ψ |25p,25p ± |25s,26s

ε < εres ε > εres

ε=44,13 V/cm

Décalage de la raie de dépompage du signal s par rapport à celle du signal p

Cohérence du couplage dipolaireEtat répulsif vs état attractif

Etude du décalage de la raie de dépompage du signal s en fonction du champ électrique :

+

- 25p,25p

25s,26s

Cohérence de l’interaction préservée pour l’état répulsif+

Dépompage de l’état attractif non détecté : collisions avec changement des états atomiques (non détectés)

-

Mesure directe du couplage dipolaire responsable du croisement évité :

Vdd ~ 15 MHz

Pendant combien de temps ?

Vth ~ 0,5 MHz effets à N corps

Cohérence du couplage dipolairePerte de cohérence

Signal s

Décohérence du couplage à l’échelle de la microseconde

Effet à N Corps :Migration d’excitation

Signal s (sans dépompage)

Effet à N corpsMigration d’excitation

Deux types de réactions dipolaires possibles :

Transfert résonant d’énergie :(Résonante pour un champ électrique particulier)

p + p → s + s’

Migration d’excitation :(Toujours résonante)

p + s → s + pp + s’ → s + p

Les produits de réactions s et s’ sont évacués et ne peuvent plus être dépompés : source de décohérence

(T)

(M)

(T)

(M)

(M)

(T)

(M)

Conclusion

Caractérisation de la cohérence d’une paire d’atomes en interaction dans un ensemble d’atomes de Rydberg froids

Etude de la dynamique de cohérence pour des atomes en interaction répulsive :

- Cohérence préservée sur ~ 1 μs- Décohérence induite par les effets à N-corps (migration d’excitation)

Mise en évidence du mouvement induit par les forces dipolaires :

gaz de Rydberg gelé VS gaz de dipôles

- Collisions ionisantes ?- l-mixing ?

Atomes dans l’état attractif

Difficultés quant à l’utilisation d’atomes de Rydberg pour l’information quantique : mouvement induit + effets à N corps