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Micro-condensats
Le but de ce projet est la fabrication et la caractérisation d’états fortement corrélés d’atomes ultra-froids. Nous comptons utiliser de petits échantillons (quelques dizaines à quelques centaines d’atomes de sodium), dans lesquels nous voulons mettre en évidence des corrélations quantiques. Il pourra s’agir d’états de type chat de Schrödinger ou alors de nouvelles phases de type antiferromagnétique dans des chaînes atomiques. Il s’agit donc d’une recherche à la frontière entre l’information quantique et la physique de la matière condensée.
Composition de l’équipe
- Membres permanents :
- Fabrice Gerbier (CNRS)
- Jean Dalibard (CNRS)
- Post-doc :
- Luigi de Sarlo
- Etudiants en thèse :
- Emmanuel Mimoun
- David Jacob
- Lingxuan Shao
- Visitors and students :
- Pierre Hunger (stagiaire ENS Lyon, avril-juin 2006)
- Xing-Xing Zhou (stagiaire ENS Paris, juin-juillet 2006)
- Benjamin Charnay (stagiaire ENS Paris, juin-juillet 2006)
- Aviv Keshet (visiteur MIT, juin 2008)
- Tilman Zybold (visiteur Heidelberg, novembre 2008 -janvier 2009)
- Wilbert Kruithof (visiteur Groningen, avril 2009-juin 2009)
- Vincent Corre (janvier 2011-juillet 2011)
Recherche soutenue par
- l’ANR : projet "blanc" Gascor (2005-2008)
- l’IFRAF : projet microbec, collaboration avec l’Institut d’Optique
- le DARPA : projet OLE, collaboration avec le MIT, coordinateur W. Ketterle
- l’Union Européenne : réseau MIDAS, coordinateur G. Kurizki (2008-2010)
Sommaire
Vers des états fortement corrélés
Micro-condensats et chats de Schrödinger
Préparation d’un microcondensat
Vers une source laser solide pour le sodium
Références utiles
Vers des états fortement corrélés
Le domaine des atomes froids est un champ de recherche dynamique, dont l’activité a été dopée par l’observation en 1995 de la condensation de Bose-Einstein en phase gazeuse. Ce phénomène se produit dans un gaz d’atomes bosoniques à très basse température, où on constate que les atomes occupent tous le même état quantique, formant ainsi une ``onde de matière macroscopique´´. Le succès de ce domaine tient largement au fait qu’il permet d’aborder des problèmes fondamentaux de la mécanique quantique et de la physique de la matière condensée dans des systèmes très bien caractérisés expérimentalement, et avec les techniques de précision de la physique atomique et de l’optique quantique. Si les expériences se sont d’abord attachées à caractériser les propriétés des condensats (comme par exemple la superfluidité ou la cohérence en phase), à l’heure actuelle les condensats de Bose-Einstein (et leurs cousins fermioniques) sont plutôt considérés comme des « simulateurs quantiques analogiques » permettant d’aborder des problèmes plus généraux.
Une des directions les plus prometteuses est l’étude des systèmes dits fortement corrélés (ou encore intriqués), caractérisés par des corrélations entre atomes individuels inexplicables dans le cadre de la physique classique. Dans le contexte de l’optique quantique, des protocoles élégants pour réaliser de tels états intriqués ont été proposés, par exemple en utilisant l’interaction entre un laser monomode et un milieu non-linéaire [1]. Ces expériences n’ont jamais été réalisées à cause d’obstacles technologiques. En revanche, leur principe se transpose facilement au cas d’un gaz d’atomes froids, le condensat jouant le rôle du laser et les interactions entre atomes introduisant la non-linéarité nécessaire. Il semble ainsi envisageable de produire de tels états corrélés à partir d’un condensat, de mettre en évidence des corrélations non-classiques dans ces systèmes multi-particules, et d’étudier leur robustesse vis-à-vis de la décohérence.
Micro-condensats et chats de Schrödinger
Collaboration : Antoine Browaeys et Philippe Grangier (Institut d’Optique)
Les difficultés expérimentales pour réaliser de tels états corrélés sont fortement diminuées à la condition de travailler avec un système très froid et comportant un petit nombre d’atomes, de l’ordre d’une centaine. Dans notre équipe, nous travaillons à réaliser un dispositif dédié à la production de ce microcondensat sous la forme d’un piège optique formé par un laser très focalisé, et dont la profondeur est ajustée afin de ne conserver qu’un unique état lié. Pour que l´énergie de confinement liée à la taille finie du piège domine, il est nécessaire de focaliser le laser de piégeage sur une distance comparable à l’extension de l’état fondamental, soit 1 micromètre environ. De tels pièges, qui nécessitent des faisceaux de grande ouverture, ont été développés dans le groupe d’Antoine Browaeys et Philippe Grangier, de l’Institut d’Optique d’Orsay, avec qui nous collaborons dans le cadre de l’Institut Francilien des Atomes Froids (IFRAF).
Notre dispositif permettra de nombreuses expériences qualitativement nouvelles, par exemple la préparation de superposition cohérente de deux condensats dans des états internes différents, tous les atomes dans l´état interne a plus tous les atomes dans l´état interne b (l’analogue pour des bosons ultra-froids des fameux états "Chats de Schrödinger") [2-4], ou encore la production d’états jumeaux, où exactement la moitié des atomes occupe l’état a tandis que l’autre moitié occupe l’état b [5].
Ce microcondensat possède naturellement une entropie très faible, ainsi qu’un mécanisme d’auto-régulation de sa population dû aux interactions répulsives entre les atomes. En effet, au-delà d´un certain nombre d´atomes piégés, l’énergie due aux interactions répulsives entre atomes excède l’énergie de confinement, et l’état piégé disparaît. Nous chercherons à caractériser précisément ce mécanisme d’évaporation quantique, et les propriétés d´un gaz ultrafroids piégé dans un tel potentiel. Outre l’état lié, il existe en effet un continuum d’états libres, éventuellement couplés aux atomes piégés par les interactions et/ou les fluctuations du potentiel, inévitablement présentes en pratique. Un condensat dans un tel piège constitut ainsi un exemple particulièrement intéressant de système quantique ouvert, dont nous souhaitons caractériser la stabilité et la robustesse vis-à-vis de perturbations extérieures.
Préparation d’un microcondensat
Pour charger ce piège de manière déterministe, partir d’un condensat de Bose-Einstein semble indispensable. Plutôt qu’une solution conventionnelle basée sur un piège magnétique, nous construisons un dispositif de condensation de Bose-Einstein par des moyens uniquement optiques. Cela présente de nombreux avantages, notamment un accès optique amélioré, la rapidité de production du condensat, de l’ordre de quelques secondes, et la simplicité de mise en œuvre. Le principe est de transférer un piège magnéto-optique dans un piège dipolaire très désaccordé, puis d’abaisser la hauteur du potentiel optique pour amorcer un refroidissement évaporatif. L’évaporation se terminera en transférant une fraction du nuage dans le piège très focalisé. Par cette méthode, on doit pouvoir atteindre le seuil de condensation dans le puits central en quelques secondes. L’extinction du piège périphérique permettra finalement d’obtenir le microcondensat.
Nous comptons travailler avec l´atome de Sodium 23, qui se prête bien au refroidissement laser et évaporatif, et présente, parmi les atomes facilement manipulables par laser, les propriétés de collisions les plus favorables. En particulier, les collisions inélastiques, source de décohérence [4], ont un taux notablement réduit par rapport à d´autres espèces, comme le Lithium 7 ou le Rubidium 87. Le choix de l’atome de Sodium (de moment angulaire 
dans l’état fondamental) comme espèce à refroidir ouvre d’autre possibilités, liées à la nature vectorielle de la fonction d’onde du condensat quand tous les sous-niveaux Zeeman sont peuplés [6]. Les interactions entre atomes favorisent en effet l’alignement anti-parallèle des spins atomiques. Dans un tel système de « bosons antiferromagnétiques », des études prédisent l’existence de nombreuses phases corrélées, soit dans des pièges optiques classiques [7-9], soit dans des réseaux optiques à une dimension où une phase dimérisée, qui brise spontanément la symmétrie de translation mais pas celle de rotation, a été suggérée [10-12]. On accéderait ainsi à un régime encore inexploré expérimentalement, au carrefour entre la physique de la matière condensée et l’information quantique.
Vers une source laser solide pour le sodium
Collaboration : Jean-Jacques Zondy (LNE-INM), Aviv Keshet, Wolfgang Ketterle (MIT).
Par rapport aux expériences ``traditionnelles’’ d’atomes froids, qui reposent principalement sur des diodes lasers, le système laser nécessaire pour le refroidissement et la manipulation d’atomes est plus complexe dans notre expérience. En effet, la transition de refroidissement du Sodium (raie D2 à 589 nm) n’est accessible a priori que par des lasers à colorant. Ces lasers sont coûteux, instables, et notoirement désagréables à utiliser. C’est pourquoi nous avons choisi une approche alternative basée sur la conversion par somme de fréquences de deux laser infrarouges indépendants dans un cristal non-linéaire. Les deux sources infra-rouge sont des lasers YAG monolithiques émettant 0.5 W à 1320 nm et 1.2 W à 1064 nm. La conversion est réalisée dans un cristal de KTP périodiquement polarisé, placé dans une cavité doublement résonante et optimisée pour convertir près de 90 % des photons couplés. Le laser jaune est accordé sur la longueur d’onde de résonance du sodium. Notre montage nous permet pour l’instant de délivrer plus de 700 mW monomodes, dans un mode spatial de grande qualité (M2<1.02). Une telle efficacité, qui constitue à notre connaissance un record pour un dispositif de somme de fréquences, n’a pu être atteinte que grâce à un dispositif de contrôle spécialement conçu pour ce régime de forte conversion non-linéaire, qui fait l’objet d’un brevet [2]. Cette source constitue une alternative sérieuse à l’usage des lasers à colorants pour la génération de lumière visible, pour un coût total nettement inférieur et un confort d’utilisation bien supérieur. L’équipe collabore maintenant avec l’équipe de Wolfgang Ketterle (MIT, Cambridge, Etats-Unis) pour construire un prototype de seconde génération délivrant une puissance supérieure au Watt.
Références :
[1] Emmanuel Mimoun, Luigi De Sarlo, Jean-Jacques Zondy, Jean Dalibard, Fabrice Gerbier, Sum-frequency generation of 589 nm light with near-unit efficiency, Optics Express 16 (23),18684-18691 (2008).
[2] Brevet INPI 0803153 (6 juin 2008) : Dispositif optique de conversion de longueur d’onde et source de lumière utilisant un tel dispositif.
- Fluorescence d’une cellule de sodium
Références utiles
[1] Generating quantum mechanical superpositions of macroscopically distinguishable states via amplitude dispersion, B. Yurke and D. Stoler, Phys. Rev. Lett. 57, 13 - 16 (1986),
[2] Serge Haroche, Cours au collège de France 2006-2007.
[3] Many particle entanglement in two-component Bose-Einstein Condensates, A. Micheli, D. Jaksch, J.I. Cirac, P. Zoller,
[4] Phase dynamics of Bose-Einstein condensates : losses vs revivals, A. Sinatra, Y. Castin, EPJD 4, 267 (1998)
[5] Interferometry below the Standard Quantum Limit with Bose-Einstein Condensates, J. A. Dunningham, K. Burnett, S. M. Barnett, PRL 89, 150401 (2002).
[6] Spinor condensates and light scattering from Bose-Einstein condensates, Dan M. Stamper-Kurn, Wolfgang Ketterle, Proceedings of Les Houches 1999 Summer School.
[7] Bose-Einstein condensates in symmetry-breaking states, Yvan Castin, Christopher Herzog, CRAS Paris, tome 2, serie IV, p.419-443 (2001)
[8] Fragmentation of Bose-Einstein Condensates, Erich Müller, Tin-Lun Ho, Masahito Ueda, Gordon Baym, Phys. Rev. A
[9] Quantum Spin Nematic States in Bose-Einstein Condensates, Zhou, Fei, Int. Jour. Mod. Phys. B 17, 2643 (2003).
[10] Dimer State of Spin-1 Bosons in an Optical Lattice, S. K. Yip, Phys. Rev. Lett. 90, 250402 (2003).
[11] Spin-1 bosons in low-dimensional Mott insulating states, F. Zhou, Europhys. Lett., 63 (4), p. 505 (2003)
[12] Spin-exchange interactions of spin-one bosons in optical lattices : Singlet, nematic, and dimerized phases, A. Imambekov, E. Demler and M. D. Lukin,, Phys. Rev. A 68, 063602 (2003)
