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Collisions froides entre atomes et molécules dans un piège dipolaire
Dynamique de l’interaction dipôle-dipôle dans un gaz de Rydberg froid
Collisions et interactions froides :
Nassim ZAHZAM, Thibault VOGT, Marcel Müdrich, Daniel COMPARAT, Pierre PILLET
Séminaire interne LKB 03/02/2006
Collisions froides entre atomes et molécules
dans un piège dipolaire
Etudes collisionnelles sur le césium : Interactions molécule-atome, molécule-molécule
Validation de modèles théoriques Refroidissement évaporatif moléculaire BEC moléculaire
Piégeage de molécules froides
Motivations
Nécessité d’un piège mixte atomique et moléculaire
Piège magnétique (2002 au LAC) : - Piégeage uniquement de molécules avec un moment magnétique
(potentiel triplet pour Cs2)
Piège dipolaire CO2 : - Piégeage indépendamment de l’état interne des particules
- Densité de particules trop faible pour étudier les collisions inélastiques
- Densité deux ordres de grandeurs plus élevée que dans un piège magnétique
Obtenir un échantillon de molécules froides
CO2(~ 10,6 μm) >> at(~ 0,85 μm)
Laser CO2 de forte puissance (~ 110 W) très désaccordé vers le rouge des transitions énergétiques :
Particules attirées vers les régions de forte intensité
Généralisable à toute particule polarisable 2 αstat(Cs) ~ αstat(Cs2)
Potentiel de piégeage :
Piège conservatif pour Cs et Cs2
4’ - Piège dipolaire purement moléculaire
5 - Photoionisation et détection
3 - Photoassociation et formation de molécules froides
non conservatif, non applicable au piégeage de molécules
Lasers MOT
Lasersrepompeurs
1 - Piège Magnéto-Optique
Principe de l’expérience
2 - Piège dipolaire atomique
Laser CO2
(piège dipolaire)
Laser TiSa(PA)
4 - Piège dipolaire atomique et moléculaire
Laser Pulsé(PI)
EGalettes
microcanaux
Cs2+ Cs+
Cs~ 850 nm
Piège dipolaire moléculaire :
Profondeur ~ 1,5 mK Fréquences : 840Hz / 24Hz Nmol ~ 104
Tmol ~ 40 μK6s1/2
6p3/2
h- h’0 = h
Caractéristiques du piège dipolaire CO2
Puissance ~ 110 W Waist ?
Décalage Stark des raies de PA dans le piège dipolaire :
Waist ~ 84 μm
Ajustement des raies de PA : Tat~ 40 µK dans le piège
+
Analyse des raies de PA dans le piège dipolaire atomique
Waist ~ 84 μm
Piège dipolaire atomique :
Profondeur ~ 0,9 mK Fréquences : 890Hz / 25Hz Nat ~ 3.105
Tat ~ 40 μK
Piège dipolaire d’atomes Cs
Durée de vie du piège atomique:6s
f=4
f=3
EHF = kB x 440 mK
Atomes f=4 instables vis-à-vis des collisions binaires inélastiques avec changement de structure hyperfine :
Décroissance non exponentielle
Atomes f=3 stables vis-à-vis des collisions binaires inélastiques :
Décroissance exponentielle
Densité atomique initiale ~ 4.1011 at/cm-3
Durée de vie atomique due au gaz résiduel : ~ 2,7 s -1
Piège dipolaire de molécules Cs2
Molécules seules
Molécules +
atomes
Atomes f=3
Mise en évidence de collisions inélastiques molécule-atome
Evolution du nombre de particules dans le piège :
Piège dipolaire de molécules Cs2
Taux de collisions inélastiques Molécule-Atome
Nbr. d’atomes (x105)
Du
rée d
e v
ie m
ol.
(m
s)
Evolution du nombre de molécules dans un piège mixte :
Taux de collisions inélastiques molécule-atome ~ 2,6 x 10-11 cm3/sTaux élevé, proche du taux atome-atome BEC moléculaire instable
Etude en changeant l’état photoassocié (v’,J’) état de la molécule piégée différent
Piège dipolaire de molécules Cs2
Collisions en fonction de l’état interne moléculaire (v,J)
Etudes théoriques taux de collisions décroient lorsque le niveau vibrationnel des molécules piégées diminue
PA vers v’=6 Og-(p3/2)→ v=33-47 du triplet
PA vers v’=103 Og-(p3/2)→ v=7-9 du triplet
PA vers Ou+(p1/2)→ v ~ 132 du singulet
Taux de collisions ~ identiques
- Désaccord avec les travaux théoriques ?- En accord avec les résultats expérimentaux obtenus dans le groupe de M. Weidemüller
Temps de piégeage (ms)
Nom
bre
de m
olé
cule
s
Piège : molécules + atomes
Piège dipolaire de molécules Cs2
Durée de vie d’un piège purement moléculaire
Estimation du taux de collisions ~ 10-11 cm3/s
Collisions inélastiques molécule-molécule :
Incompatible avec l’obtention d’un BEC moléculaire stable
Néanmoins nombre de molécules trop faible pour limiter appréciablement la durée de vie du piège moléculaire
Collisions molécule-gaz chaud :
Comparaison avec piège magnétique moléculaire Pas d’influence du CO2 sur sur la durée de vie moléculaire
Molécules seules
Atomes f=3
durée de vie limitée par le gaz résiduel
Formation de molécules dans l’état (v=0,J=0) : PA Raman, impulsions façonnées
Détermination de la durée de vie de l’état triplet de plus basse énergie
Détection : Photoionisation moléculaire à 1 photon augmentation de l’efficacité de détection
Perspectives :
Nature bosonique de l’atome de césium : taux de collisions inélastiques très élevés Echec de BEC moléculaires à partir de bosons (Na, Rb, Cs)
Piège dipolaire de molécules Cs2
Conclusions et perspectives
Solutions théoriques proposées : diminuer l’énergie interne des molécules froides piégées
Taux de collisions semblent indépendants des niveaux moléculaires étudiés Solution : molécules (v=0, J=0) → Collisions inélastiques
énergétiquement interdites
Section efficace de collisions avec le gaz résiduel 4 fois plus importante pour des molécules froides que pour des atomes froids
Atomes fermioniques (40K,6Li) : Taux de collisions deux ordres de grandeur inférieurs BEC moléculaires avec durées de vie jusqu’à 10 s
Taux de collisions inélastiques molécule-atome (= 2,6 x 10-11 cm3/s ) et molécule-molécule (= 1,0 (5) x 10-11 cm3/s ) très élevés
Dynamique de l’interaction dipôle-dipôle dans un gaz de
Rydberg froid
Atomes de Rydberg
Atomes avec électron très éloigné (n >20) :
Taille énorme 2 n2 a0 ~ 0,1 μm (n=30)
Fortes interactions Dipôle électrique important n2 qe a0 ~ 1000 D
Champ d’ionisation faible n-4 ~ 200 V/cm Facile à détecter
Durée de vie longue n3 ~ 20 μs Temps de cohérence long
AtomesAtomesde Rydbergde Rydberg
Etats exotiques de la matièreMolécules de Rydberg (trilobite)
Information quantiqueAstrophysique
Chaos quantique
TransitionRydberg ↔ plasma
Intérêts et applications
Porte de phase Blocage dipolaire
Rydberg chauds vs Rydberg froids
Haute température (~ 300 K) :
-Temps entre 2 collisions (10 ns) << Durée de vie (20 μs)- Eint << Ec
- Système décrit par des collisions binaires
Basse température (~ 100 μK) :
- Temps entre 2 collisions (600 μs) >> Durée de vie (20 μs)- Eint (~ 15 MHz) > Ec (~ 2 MHz)- Interactions statiques à N corps
Vision d’un gaz de Rydberg gelé en interaction
Jusqu’à quel point …
v
Transfert résonant d’énergie
Interaction dipôle-dipôle
Ens(ε)
Champ électrique
Energie
εres
E(n+1)s(ε)
Enp(ε)
Diagramme Stark :
2 Enp(εres ) = Ens (εres) + E(n+1)s (εres)
Transfert résonant d’énergie pour ε = εres :
Transfert par interaction dipôle-dipôle Vdd :
np(n+1)snsnp
Vdd
np + np ↔ ns + (n+1)s
Création d’une superposition cohérente de 2 états à 2 atomes :
|+ |np,np + |ns,(n+1)s
|- |np,np - |ns,(n+1)s
εres
Spectrosocopie haute résolution
But : Résoudre spectroscopiquement l’interaction dipôle-dipôle
Vdd~ 10 MHz Il faut une spectroscopie haute résolution pour sonder le gaz de Rydberg en interaction
Utilisation d’un laser Ti:Sa continu de largeur spectrale 1 MHz
+
Laser à colorant pulsé large bande (2 GHz)
Mise au point de deux schémas de spectroscopiepour sonder les interactions entre atomes de Rydberg
Etude de la dynamique de cohérence de l’interaction
2eme schéma :1er schéma :
Spectrosocopie haute résolution
Deux schémas : spectroscopie de dépompage
Schéma Continu-Continu- Grande efficacité de dépompage- Nombre d’atomes excités réduit
Schéma Pulsé-Continu- Excitation d’un grand nombre d’atomes- Efficacité de dépompage réduite
Laserpulsé
GalettesMicro-canaux
LaserTi:Sa
Dispositif expérimental :
Spectrosocopie haute résolution
Piège Magnéto-Optique : ~ 107 atomes densité ~ 1010 cm-3
température ~ 100 μK
Atomes de Rydberg : densité ≤ 109 cm-3
T ~ 100 μK
Oscillation cohérente entre les états s et p :
Dépompage des atomes p et s
ε=43,93 V/cm
Réaction de transfert résonant considérée :
25p + 25p ↔ 26s + 25s avec εres = 44,03 V/cm
Dépompage des états p d’un gaz de Rydberg s et p :
Rydberg s également dépompés
Rydberg s retransformés en ppuis dépompés
|ψ |25p,25p ± |25s,26s
ε < εres ε > εres
ε=44,13 V/cm
Décalage de la raie de dépompage du signal s par rapport à celle du signal p
Cohérence du couplage dipolaireEtat répulsif vs état attractif
Etude du décalage de la raie de dépompage du signal s en fonction du champ électrique :
+
- 25p,25p
25s,26s
Cohérence de l’interaction préservée pour l’état répulsif+
Dépompage de l’état attractif non détecté : collisions avec changement des états atomiques (non détectés)
-
Mesure directe du couplage dipolaire responsable du croisement évité :
Vdd ~ 15 MHz
Pendant combien de temps ?
Vth ~ 0,5 MHz effets à N corps
Cohérence du couplage dipolairePerte de cohérence
Signal s
Décohérence du couplage à l’échelle de la microseconde
Effet à N Corps :Migration d’excitation
Signal s (sans dépompage)
Effet à N corpsMigration d’excitation
Deux types de réactions dipolaires possibles :
Transfert résonant d’énergie :(Résonante pour un champ électrique particulier)
p + p → s + s’
Migration d’excitation :(Toujours résonante)
p + s → s + pp + s’ → s + p
Les produits de réactions s et s’ sont évacués et ne peuvent plus être dépompés : source de décohérence
(T)
(M)
(T)
(M)
(M)
(T)
(M)
Conclusion
Caractérisation de la cohérence d’une paire d’atomes en interaction dans un ensemble d’atomes de Rydberg froids
Etude de la dynamique de cohérence pour des atomes en interaction répulsive :
- Cohérence préservée sur ~ 1 μs- Décohérence induite par les effets à N-corps (migration d’excitation)
Mise en évidence du mouvement induit par les forces dipolaires :
gaz de Rydberg gelé VS gaz de dipôles
- Collisions ionisantes ?- l-mixing ?
Atomes dans l’état attractif
Difficultés quant à l’utilisation d’atomes de Rydberg pour l’information quantique : mouvement induit + effets à N corps
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