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Piégeage d’atomes au voisinage de microcircuits
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Piégeage d’atomes au voisinage de microcircuits

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  1. Piégeage d’atomes au voisinage de microcircuits

  2. Piégeage d’atomes au voisinage de microcircuits • Composants électroniques de quelques cm²+ circuits micrométriques « microgravés » • Idée : piéger des atomes froids neutres grâce aux champs B créés par ces courants • Historique • 95 : proposé • 99 : démonstrations expérimentales • 02 : condensation de Bose-Einstein • Depuis : caractérisation et premières utilisations • Sujet à la mode ! Références proposées • J.Reichel et al. « Applications of integrated magnetic microtraps » Appl. Phys. B 72, 81-89 (2001) • P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)

  3. PLAN I / Présentation des « Atom chips » II / Cohérence d’un atome piégé PLAN I / Présentation des « Atom chips » II / Cohérence d’un atome piégé

  4. Piège magnéto-optique • Refroidissement Doppler • Absorption d’un photon = transfert d’impulsion lumière=>matière • Émission spontanée isotrope en moyenne Généralisation 3D + effet Doppler • Piège magnéto-optique • Levée de dégénérescence Zeeman dans un champ quadrupolaire : B=b’(x,y,-2z) • Polarisation des lasers : 3 paires de faisceaux contrapropageants de même hélicité Force moyenne de frottement fluide A partir de http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm Force de rappel élastique : piégeage |b’| grand = piège confinant

  5. Piège magnéto-optique : transposition aux atom chips Champ magnétique quadrupolaire J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002) Superposition • du champ créé par un fil infini • d’un champ homogène perpendiculaire au fil => Champ quadrupolaire 2D avec AXES à 45° Champ quadrupolaire 2D avec AXES à 45° Fil en U : piégeage également suivant x => champ quadrupolaire 3D (axes à 45°) z0a I |b’|(z0) a I-1 Effet de la largeur finie des fils J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)

  6. Piège magnéto-optique : transposition aux atom chips 6 faisceaux laser Piège magnéto optique miroir : 2 des 6 faisceaux sont générés par réflexion sur une couche d’or J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002) Polarisations 3 paires de faisceaux contrapropageants de même hélicité D’après J.Schmiedmayer, www.atomchip.net

  7. Chargement du piège : mode opératoire Du moins confinant au plus confinant • Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques • Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes • Transfert du centre du PMO plus près de la surface du chip • Passage adiabatique au champ du courant en U plus champ homogène (« bias ») 108 atomes • Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques • Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes • Transfert du centre du PMO plus près de la surface du chip • Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques • Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes (Remarque : imagerie par fluorescence ou absorption) J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001) Limitations du piège magnéto-optique But : augmenter • Densité dans l’espace réel n • Densité dans l’espace des phases nj Limitation : $ nmax nécessité d’un piège sans laser : piège magnétique

  8. Piège magnétique : description et mise en œuvre expérimentale J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002) J.Schmiedmayer, www.atomchip.net PMO avec fil en U + bias J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001) PM avec fil en Z + bias On éteint les lasers V = g mFmB B Champ quadrupolaire => transition de Majorana (« spin-flip ») Nécessité d’un champ non nul au centre : Ioffe-Pritchard : champ harmonique • On éteint les lasers V = g mFmB B • Champ quadrupolaire => transition de Majorana (« spin-flip ») • Nécessité d’un champ non nul au centre : Ioffe-Pritchard : champ harmonique • Remarque : piège magnétique encore hamiltonien… CBE obtenu par refroidissement évaporatif (onde rf) Images

  9. Manipulations plus complexes Transport dans toutes les directions Séparation et recombinaison => interféromètre Transport à partir d’un réservoir J.Schmiedmayer, www.atomchip.net J.Schmiedmayer, www.atomchip.net J.Reichel, www.mpq.mpg.de/~jar a : Transport du CBE sur 1.6 mm en 100 ms avec le tapis roulant magnétique. b : Images de temps de vol après relâchement du piège, en 19.3 ms Structure bimodale après le transport (cigare) c’est encore un condensat ! J.Reichel, www.mpq.mpg.de/~jar

  10. Intérêts des atom chips • Forts gradients de champ magnétiques => pièges très confinants • Miniaturiser les manip d’atomes froids (horloges, interféromètres : mesures de précision portables) • « Démocratiser » les manip d’atomes froids (Pas de forts courants dans des bobines refroidies à l’eau, nécessité d’un vide 100 fois moins poussé) • Intégrer d’autres dispositifs sur le même chip (Cavités optiques, électrodes, laser fibrés…) • Étudier les interactions atomes/surface (Dépopulation, décohérence, réchauffement dus à la surface Refroidissement par évaporation induite par la surface) • Candidat sérieux pour l’information quantique

  11. PLAN I / Présentation des « Atom chips » II / Cohérence d’un atome piégé

  12. Cohérence d’un atome piégé : introduction • Atom chips = candidat intéressant pour l’information quantique q-bits (a |0> + b |1> ) N(différent de a |00…0> + b |11…1> !) • Question : effet de la surface dans la décohérence de la superposition cohérente d’états • Idée : comparer • Manip d’atomes froids « standards » : D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions on spin coherence and resonance shifts in a magnetically trapped ultracold gas »,PRA 66,053616 (2002) • Atom chips : P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)

  13. Description du système Niveaux hyperfins du fondamental 5S1/2 du 87Rb |0> et |1> états piégés dans un piège magnétique (gFmF>0) Transition à deux photons (DmF=2) => oscillations de Rabi Idée : spectroscopie Ramsey (imagerie par absorption)

  14. Décohérence due à la surface ? • Sources de décohérence possibles • Dépendance de n01 en B (et donc de WRABI) => bruit de phase • Fluctuations temporelles de B (courants sur la surface ou labo) • T>0 : les atomes bougent, et B(z) => les atomes voient un B(t) • Shift collisionnel (dépend de T et de la densité) • Surface • Pour voir le rôle de la surface : minimiser les autres sources de décohérence et se placer dans les mêmes conditions que D.M.Harber et al.

  15. Minimisation de l’effet Zeeman différentiel E0 et E1 dépendent de B => n01dépend de B Au 1er ordre, E=gFmFmBB et (gFmF)|0>=(gFmF)|1>: pas d’effet Zeeman différentiel linéaire En réalité : effet Zeeman différentiel quadratique minimisé en B0=3.23 G D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions… », PRA 66,053616 (2002) • Choix Bbias=3.23 G

  16. Spectroscopie Ramsey Résultats p/2 pulse à WR=w01-(wmw+wrf) fixé Fit : sin²(WRTR) exp(-TR/tC) • Incertitude énorme ! • Piège macroscopique tC≈ 2.5 s : comparable • La surface semble ne pas jouer de rôle majeur… P.Treutlein et al. : « Coherence … », PRL 92,203005 (2004)

  17. Rôle de d, distance atomes-surface P.Treutlein et al. : « Coherence … », PRL 92,203005 (2004) TR fixé, WR=w01-(wmw+wrf) varie viawmw+wrf => franges + fit => on extrait C(TR) d varie de 5 à 132 mm : grosse amplitude ! C ≈ cte T et n0 varient à chaque point… (?)

  18. Conclusion de l’article de P.Treutlein et al. • Contraste indépendant de d à la précision expérimentale • Décohérence due principalement • à l’effet Zeeman différentiel résiduel (fluctuations de B ≈ 6 mG dans le labo) • au shift collisionnel • Ouvertures • Horloges atomiques (précision 10-13 t -1/2 Hz -1/2 envisageable) • Information quantique : tC suffisant pour y croire !

  19. Conclusion • Perspectives : • Caractérisations plus poussées • Mesures de précision (horloges, interféromètres atomiques…) • Couplage à d’autres manips de la physique atomique Atom chip = nouvel outil dans le pool des techniques expérimentales de la physique atomique

  20. Références J.Reichel et al. « Applications of integrated magnetic microtraps » Appl. Phys. B 72, 81-89 (2001) P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004) J.Reichel, « Microchip traps and Bose-Einstein condensation » Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002) D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions on spin coherence and resonance shifts in a magnetically trapped ultracold gas », PRA 66,053616 (2002) J.Dalibard : poly d’atomes froids (2003) T.Nirrengarten, « Piégeage d’atomes de Rydberg au voisinage d’un chip supraconducteur », rapport de DEA (2003) E.Young, rapport de stage long de MIP2 (2003) http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm http://www.mpq.mpg.fr/~jar http://www.atomchip.org