Stage de M2 “Concepts Fondamentaux de la Physique” Réalisation ...

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Stage de M2 “Concepts Fondamentaux de la Physique” Réalisation d'un piège atomique pour des mesures d'interaction à courte distance. Demian Levis Responsable de stage : Franck Pereira Dos Santos SYRTE, Observatoire de Paris, CNRS, UPMC 61 Avenue de l'Observatoire, 75014, Paris, France Janvier-Avril 2009

• nature des interactions entre particules fondamentales
• photons du faisceau contrapropageant
• direction z
• échelles de longueur de l'ordre du µm
• principes de base du projet
• étape préliminaire
• montage optique
• verticale de longeur d'onde λl
• atomes
• atome
• laser
• lasers

Sujets

• Exposé
• Pereira
• Príncipe
• Direction
• Optique
• Photon
• Interaction

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Extrait

Stage de M2 “Concepts Fondamentaux de la
Physique”
Réalisation d’un piège atomique pour des mesures
d’interaction à courte distance.
Demian Levis
Responsable de stage : Franck Pereira Dos Santos
SYRTE, Observatoire de Paris, CNRS, UPMC
61 Avenue de l’Observatoire, 75014, Paris, France
Janvier-Avril 2009Table des matières
1 Description générale de l’expérience. 4
1.1 Les principes de base du projet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Étape préliminaire : création d’atomes froids. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
871.2.1 Les atomes : Rb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Sources lasers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Le piège magnéto-optique à deux dimensions. 9
2.1 Description théorique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Refroidissement Doppler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Piège magnéto-optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Dispositif expérimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 L’enceinte à vide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Le système optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Détection des atomes et résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Asservissement en fréquence des lasers. 20
3.1 Caractéristiques des sources laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.1 Montage en cavité étendue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.2 Amplification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Le montage optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Description générale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Isolation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Collimation et couplage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Modulateur acousto-optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Asservissement des lasers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.1 Principe de la spectroscopie d’absorption saturée. . . . . . . . . . . 24
3.3.2 Laser L1 : repompeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.3 Laser L2 : refroidisseur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
A Interaction matière-rayonnement. 32
A.1 Effet de la lumière sur les états atomiques internes. . . . . . . . . . . . . . . 32
A.2 Force dipolaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1Introduction
La nature des interactions entre particules fondamentales à courte distance est traitée
dans le cadre théorique du modèle standard. Bien qu’on puisse le considérer comme le
grand paradigme de la physique actuelle, l’interaction gravitationelle, comprise à l’échelle
classique, reste en dehors de ce cadre. La physique moderne connait aujourd’hui de nom-
breuses (et très couteuses : LHC, FermiLab, etc.) tentatives de tester expérimentalement
ses prédictions, en se plaçant à la frontière des lois connues, dans un régime ou des effets
purement quantiques deviennent prépondérants. Pour étudier l’interaction entre deux corps
massifs dans de telles conditions expérimentales il faudrait une théorie quantique de la gra-
vitation, pas encore développée. Certaines théories proposent des nouvelles idées au-delà
du modèle standard qui permettent de faire apparaitre des déviations aux lois classiques de
la gravitation à cette échelle ([9]). C’est dans ce contexte que le nouveau projet FORCA-G
s’inscrit : faire des mesures d’interactions à courte distance par interférométrie atomique.
Cette expérience permettra de mesurer de façon précise l’attraction gravitationelle entre
un atome et une surface macroscopique et pouvoir ainsi obtenir un premier résultat expé-
rimental d’interaction au delà du modèle standard ([10]).
En termes plus précis, le but de l’expérience est de localiser un atome proche (∼
100 nm− 10 µm) d’un objet macroscopique et de mesurer l’interaction par interférométrie
(avec une résolution meilleure que les mesures opto-mécanique actuelles). Cela consiste en,
d’abord, piéger des atomes dans un réseau optique vertical à l’aide d’un laser retro-réfléchi
sur un miroir et ensuite, réaliser un interféromètre où la différence de phase mesurée entre
deux paquets d’ondes atomiques, séparés puis recombinés, nous donne accès au potentiel
subi par l’atome. Lorsque les atomes sont proches du miroir, l’interféromètre est sensible à
la différence de potentiel atome-miroir entre des puits différents. À cette échelle de longeur,
les atomes sont couplés au vide de l’électrodynamique quantique ([12]) et l’effet du potentiel
de Casimir-Polder devient plus important que celui du champ gravitationnel. Il en résulte
un autre intérêt fondamental de cette configuration, à savoir la possibilité de mesurer la
force de Casimir avec une amélioration de la précision par rapport aux expériences précé-
dentes qui exploitent la déviation mécanique d’un objet macroscopique sous l’effet de cette
force ([13, 14, 15]).
Ce stage s’inscrit dans ce nouveau projet. Il a éte effectué au SYRTE (Systèmes de
référence Temps-Espace), laboratoire situé dans le campus de l’Observatoire de Paris, au
sein de l’équipe “Interférométrie Atomique et Capteurs Inertiels” qui a proposé le projet.
2TABLE DES MATIÈRES 3
Il est bien évident que la mise en oeuvre d’une telle expérience, même si on arrive à
résumer simplement ses principes sur le plan conceptuel, est délicate et exige le maîtrise
de plusieures étapes préalables avant de faire les mesures d’interactions. Le travail effectué
au cours de ce stage a porté sur une première étape : la réalisation d’une source d’atomes
87de rubidium 87 ( Rb) froids. Il a été décidé de répondre à ce besoin en utilisant un piège
magnéto-optique à deux dimensions (MOT-2D). Il faut donc générer et contrôler les deux
fréquences lasers nécessaires pour ce montage (refroidissement et repompage). L’objectif
principal de ce stage a donc consisté à réaliser l’asservissement de ces lasers et le MOT-2D.
Partant d’une table optique avec deux diodes lasers en cavité étendue, j’ai mis en place un
montage optique dédié. En explorant les propriétés des différents éléments et, surtout, en
gagnant au fur et à mesure de l’expérience dans le domaine, j’ai modifié progressivement ce
montage afin d’optimiser ses fonctions. Ensuite, j’ai préparé le montage de l’enceinte et du
système optique du MOT-2D. Après assemblage et pompage de l’enceinte on a pu réaliser
87un faisceau d’atomes Rb froids.
Dans le but de justifier et relier les différentes étapes qui ont conduit à cette réalisation
et de comprendre leur rôle au sein de l’expérience, je commencerai cet exposé par décrire
de façon générale les principes de l’expérience : du projet FORCA-G, puis du travail de
stage. Je décrirai ensuite les deux parties de mon travail : la réalisation du MOT-2D puis
la mise en place du montage qui garantit l’asservissement des lasers requis.Chapitre 1
Description générale de l’expérience.
1.1 Les principes de base du projet.
La conception de l’expérience repose sur les résultats de l’article [10]. On les présente ici
en faisant le point sur les notions fondamentales qui permettent de justifier notre démarche
expérimentale et d’éclaircir le rôle de ce stage au sein du projet.
Il convient de décrire les états des atomes piégés dans une onde stationnaire verticale
de longeur d’onde λ , en présence de l’accélération de pesanteur, en utilisant les états deL
Wannier-Stark, caractérisés par un indice de site ’m’ (correspondant aux états propres du
potentiel extérieur) et un indice ’i ’ concernant l’état atomique interne (où l’atome est
considéré comme un système à deux niveaux |i >= |g > ou |e >, on se focalise sur une
transition atomique) . L’étude théorique de l’évolution des atomes piégés dans ce potentiel
(sur lequel s’ajoutent les interactions qu’on veut mesurer) par l’effet des différentes impul-
πsions lasers constituant l’interféromètre -trois impulsions π et deux impulsions - montre
2
que, après recombinaison, on détecte une différence de phase accumulée pendant les étapes
de manipulation égale à
! $" #51 (i)(i=m±1)Δφ = (m gλ + U − U )(2T) + F ω , φ (1.1)a L m+1 m−1 eg