Saïda GUELLATI-KHELIFA

Laboratoire Kastler Brossel(CNRS-UPMC-ENS)

Conservatoire National des Arts et Métiers

Manipulation d’atomes par laser et métrologiedes constantes fondamentales

L’atome est universel

Appareil de mesure universel

Interroger un seul atome ?

Dans la nature, un atome n’est jamais seul…

Nv

Comment se procurer les atomes pour une expérience de physique atomique?

V = 700 m/sDispersion en vitesse Agitation thermiqueT

SOLUTION Refroidir les atomes par laserT. W. Hänsch and Schawlow, Opt. Comm. 13, 68 (1975)

D. Wineland and H. Dehmelt, Bul. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975)

Effet « mécanique » de la lumière sur les atomesManifestation macroscopique

Kepler 1619

Effet « mécanique » de la lumière sur les atomes

Absorption + émission spontanée

Eff

Eee

Photon (ħk, h)

Eff

EeeEe – E f = h

v = ħ k /M = vr

Eff

Eee

Photon (ħ k, h)

Atome + Laser : Force de pression de radiation

Accélération = 100 000 g

22 /42 Γs1

s

Γ

0

0

Vkωω

kVF

LLat

Condition de résonance

L - kL v (z) = at

Ralentissement d’un jet atomique par balayage de fréquence

Refroidissement Doppler

< at< at

Milieu « optiquement » visqueux Mélasse optique

Force de friction F = - V

Piége magnéto-optique

f (J = 0)

e (J = 1)m = -1m = 0m = +1

m = 0

position

+ -

F = - V – r

Mélasse à 3DEffet Doppler

PiégeageEffet Zeeman

Quelques ordres de grandeurs

Piège +

refroidissement Doppleret sub-Doppler

n = 1010 atomes/cm3

T ≈quelques Kelvin

• Horloge atomique

• Mesure de la constante de structure fine

• Interférométrie atomique

l’Horloge atomique

La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux

niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de Césium

Oscillateur à Oscillateur à QuartzQuartz

MultiplicateurMultiplicateurde fréquencede fréquence

Boucle de rétroactionBoucle de rétroaction

Ef f

Eee

P ()Résonateur atomiqueRésonateur atomique

Réponseatomique

Signal d’erreur

Signal d’interrogation

Principe de double interrogation: Ramsey

détecteurdétecteurFourFour

Tδν

2

1

A la quête de l’exactitude des expériences de dimensions surhumaines

Fontaine atomique == un jet atomique vertical

Fontaine atomique de Zacharias (MIT 1953)

V = 100 m/s

La hauteur de la fontaine500 m

Nv

Fontaine à atomes froids (1990)

L’horloge la plus précise au monde(SYRTE)

1 s tous les 20 millions

d’années!!

Limite : accélération de la pesanteur

Projet d’Horloge Atomique par refroidissement d’Atomes en Orbite + ACES

Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,..

Dérive dans le temps de la constante de structure fine

Chronométrage des pulsars millisecondes: génération d’ondes gravitationnelles

Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale

quantum Hall effect

137.035 990 137.036 000 137.036 010

hfs muonium

h / m(neutron)

h / m(Cs)

QED

h / m

Solid statephysics

g – 2 of the electron (UW)

-1

’ p,h-90

h / m(Rb)

RK=h/e2=0c/2

ae = f (/)

mv=h/g – 2 of the electron (Harvard)

vr=ħk/m Xmh

)e(AXA

cR2

r

r2

CODATA 2002 P. Mohr and B. Taylor, RMP, 77 (2005)G. Gabrielse et al, PRL, 97, 030802, 2006

Déterminations de la constante de structure fine Codata = Committee on DATA for science and technology

c4e

0

2

Mesure de la vitesse de recul : difficultés

λ m

h rv

vr (Rb) ≈ 6 mm/S

Emission spontanée

Difficultés

L’atome gagne 2 fois la vitesse de reculTransition sélective en vitesse

e

ab

Mk k

Absorption + émission stimulée

Transition Raman séléctive en vitesse

N 2ħk

Accélération cohérente

mesure(Transition Raman)

sélection (Transition Raman)

Principe de l’expérience

Incertitude finale vr = v / (2N)

F=1

87Rb

F=15S1/2 F=2

5P3/2

F=2F=1

Etot

2ħk p

Accélération cohérente dans un réseau optique

U0/2

Mk k

Transfert de ~ 2000 x vr

Determination de à 6,7 x 10-9

Caractère ondulatoire de la matière

M.Vh

M : la masse de la particule

V : Vitesse de la particule

h : constante de Planck

Temp. Vitesse de Broglie thermique (microns)

300 K 300 m/s 1 x 10-5

300 µK 30 m/s 0,01300 nK 1 cm/s 1

|a, v >

|b, v +2vr >

Interférométrie atomique

ab

c

Mk k

2)1(2cos8

1

2

1)( gTkTvkNTδbP effReffL

Mesure de h/MCs → [7 x 10-9]

Mesure de g → [3 x 10-9]

Expérience de H. Cavendish1798

(Balance de torsion)410

G

Gδ

• Navigation inertielle d’engins civilset militaires

• Détection de bunker..

• Meilleurs connaissances des structuresgéologiques (pétrole, diamants..)

• Fluctuations des niveaux des océans,climat, calotte glacière

Comment observer le condensat de Bose ?

Imagerie d’absorption

In-situ distribution spatiale dans le piège magnétiquePar temps de vol distribution de vitesse

Vérification du principe d’équivalence

Projet Hyper(Hyper-Precision

Atom Interferometry In Space )

Masse « Grave » ≈ Masse « Inerte »10-12

Théorie des cordes ?

F = 1 m = 1

F = 1 m = 0

F = 1 m = -1

h RF

Condensation de Bose-EinsteinPrix Nobel 2001

NT

N/100T/1000

n DB3 est multiplié par 107

d

Longueur d’onde thermique de Broglie

Tmkn BDB /2 23

d

Condensation de Bose Einstein

T = ambianteParticules quasi-ponctuellesd = f (n)

T ~ 1 Kd ≈ Transition de phase à

n3 = 2.612

T < Tc

Une fraction macroscopique des atomes passe dans le même état fondamental Condensation de Bose-Einstein

Limite refroidissement dissipatif n DB

= 10 -6

Prédiction en 1924... Réalisation en 1995

                                    

 A. Einstein

                                  

S. Bose

                                                                 

       

Prix Nobel 2001

Boson : particule de spin entier(photon, gluon…)

Statistique de Bose-Einstein

Refroidissement évaporatif(pas de force de friction: non dissipatif)

( est le spin de l’atome)

x

W B

BW

Collision élastique

thermalisation

élas / inelas> 150

Signature de la condensation de Bose-EinsteinQuelques millions d’atomes dans un piège magnétique anisotrope

Temps de volGaz

de Boltzmann Condensat

0.5 à 1 K

100 m * 5m

kTmVi 2

1

2

1 2 4

1

2

1 2 i

mV

Sans interaction

1000 atomes de Rubidium dans l’état fondamental du

Piège magnétique

Comment mesurer la température ?C.Salomon, J. Dalibard, W. Phillips, A. Clairon, S. Guellati, Europhys. Lett. 12, 683 (1990)

Source cohérente d’atomes interférométrie atomique

Projet d’Horloge Atomique par refroidissement d’Atomes en Orbite + ACES

Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale

Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,..

Dérive dans le temps de la constante de structure fine

Chronométrage des pulsars millisecondes: génération d’ondes gravitationnelles

Etot

2ħk p

M. Ben Dahan et al , Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 4508.

Accélération cohérente : approche des oscillations Blcoh

U0/2

~ 2000 x vr à 6,7 x 10-9

Expérience de Stanford

2)1(2cos8

1

2

1)( gTkTvkNTδbP effReffL

Mesure de h/MCs → [7 x 10-9]

Mesure de g → [3 x 10-9]

|a, v =0 >

|b, v = 3 vr >

2 2

2

T

T

|a, v= 4 vr >

2|b >

|a >

~ 450 oscillations de Bloch Efficacité de transfert >99.95%

10-7

-11 point = 4 spectres (20 mn)

72 valeurs

Incertitude statistique sur de 4.4£10-9

Nouvelle détermination de

Cladé et al, PRL, 96 (2006) 033001

Succession de transitions Raman stimulées(même niveau hyperfin)

F=1

2Mk k

2vr

Impulsion

Ene

rgy

h

h2

0

rvk2

rvk10

k2

rvk6

k6k4k2

2 vr par cycle

Accélération cohérente des atomes : approche simple

t 21

Incertitude sur = 6.7 10-

9