Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg

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





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





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





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





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 !

Documents

Décélérateur Stark pour atomes et molécules de Rydberg