Sources Ultrafroides Avancées pour l'Interféromètrie et la Physique Atomiques
Domain: Physics
Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques. Nous produisons un laser à atomes de 87 Rb par couplage optique Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l'effet de la gravité. Nous montrons qu'à l'inverse d'une méthode d'extraction Radio-Fréquence l'impulsion transférée aux atomes permet de réduire la divergence et d'améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée. La dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF est également étudiée théoriquement. Nous détaillons ensuite les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d'hélium métastable (4He* ). Nous décrivons l'ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu'à leur transfert dans un piège dipolaire ou un réseau optique. L'ajout d'un multiplicateur d'électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piége magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d'atomes 4He* et le transférer, in-situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.
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Published: 6/13/2012
Language: English
Number of pages: 209
Publication type: Reports and theses
Savoirs > Natural science
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DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE
DE L’ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE
LABORATOIRE KASTLER-BROSSEL
THÈSE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ PARIS VI
EN CO-TUTELLE AVEC L’AUSTRALIAN NATIONAL UNIVERSITY
Spécialité : Physique Quantique
présentée par
Julien DUGUÉ
Pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Pierre et Marie Curie (Paris VI)
Sujet de la Thèse:
Sources Ultrafroides Avancées
pour l’Interférométrie et la Physique Atomiques
Soutenue le 25 juin 2009 devant le jury composé de :
Hans BACHOR Président
Michèle LEDUC Co-Directrice de Thèse
John CLOSE Co-Directeur de Thèse
Isabelle BOUCHOULE Rapporteur
Peter HANNAFORD
Anne-Marie CAZABAT Examinateur
tel-00410953, version 1 - 25 Aug 2009tel-00410953, version 1 - 25 Aug 2009Acknowledgements
During the realization of this thesis I had the opportunity to work on both sides of the world,
getting help and support from many colleagues and friends. To these people I would like to say
thank you:
First, I would like to thank my two supervisors Michèle Leduc (Paris) and John Close
(Canberra) for giving me the opportunity to work in their research groups, in an exciting and
fast moving research field. I met Michèle in the middle of the australian desert when I was a stu-
dent doing a training period with John, so I guess I was meant to start my thesis in collaboration
between both groups. I am very grateful for their constant support throughout my PhD work.
Michèle and John were always very helpful and encouraging, and despite all their other commit-
ments they had always enough time for me.
I am very much indebted to all members of the australian group where I started my PhD. In
particular, I would like to thank Nick Robins for the important input he had contributed during
my time in Canberra, both inside and outside the lab. His profound understanding of physics
and his help in the lab had a great impact on this thesis. I would also like to thank Cristina Figl
who I spent a lot of time working with in the lab. I would like to thank Matt Jeppesen, Simon
Haine, Paul Summers, Mattias Johnsson and Graham Dennis not only for the many fruitful work
discussions we shared, but also for creating a good working environment. Thanks also to Andrew
Moylan for all our squash and soccer games.
I am equally indebted to all members of the french group where I completed the second part
of my PhD. In particular, I thoroughly enjoyed working with Maximilien Portier, Juliette Simonet
and Steven Moal. I would like to thank them for the great relationship we had, both inside and
outside the lab. They are not only my colleagues, but also my friends. I had the chance to work
with Jaewan Kim, Sanjukta Roy, Christian Buggle, Ennio Arimondo and Jérôme Beugnon. They
all had an important input on the experiment and it was a pleasure working with them although
our collaboration was rather short. I was fortunate to have several opportunities to interact in
tel-00410953, version 1 - 25 Aug 2009discussions with Claude Cohen-Tannoudji. I always found this very inspiring and motivating
therefore, I would like to thank him.
I would like to thank the members of the jury. Hans Bachor and Anne-Marie Cazabat have
been of great help with the organization of the cotutelle. For their constant help, patience and
support I would like say thanks to both of them. Thank you to Isabelle Bouchoule and Peter Han-
naford for reading the manuscript so carefully and giving me comments to improve it. Including
my co-supervisor, three members of the jury came a very long way from Australia to attend the
defense in Paris. It was very much appreciated and I would like to thank them again for that.
I would like to thank all my family and friends. In particular I want to thank my parents for
their unconditional support throughout my entire life. Also a special thanks to Guillaume and
Arnaud for their long-term friendship.
Finally, there is no doubt that the biggest event that happened during my thesis was meeting
Gráinne. Gráinne, my thanks to you cannot be expressed only in a few lines. It is the person you
are who makes my life so happy. I am fortunate to have you...
tel-00410953, version 1 - 25 Aug 2009CONTENTS
CHAPTER 1: EXPERIMENTAL AND THEORETICAL BACKGROUND OF ATOM
LASERS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2
1.1 GENERAL OVERVIEW OF ATOM LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 An Analogy with Optical Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Definition of an ’Atom Laser’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 ATOM LASER OUT-COUPLING TECHNIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Non-State Changing Out-coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 State Changing Out-coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 Radio-Frequency Output Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.4 Raman Output Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 RESONANT WIDTH OF THE CONDENSATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Gravitational Sag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2 Resonant Frequency Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 RABI-FREQUENCY AND THE DIFFERENT OUT-COUPLING REGIMES . . 19
1.4.1 Output Coupling Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.2 Pulsed and Quasi-Continuous Output Coupling . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.3 Out-coupling regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5 CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
CHAPTER 2: RUBIDIUM CONDENSATE AND RAMAN BEAMS : : : : : : : 24
2.1 EXPERIMENTAL SETUP TO PRODUCE BEC . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
872.1.1 Atomic structure of Rb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.2 Laser system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.3 Vacuum system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.4 2D MOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.5 3D MOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.6 Transfer to a magnetic trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.7 Transport by a Translation Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.8 QUIC Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
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2.1.8.1 Transfer to the QUIC Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.8.2 Optical Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.8.3 Trap Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2 EXPERIMENTAL SETUP TO PRODUCE RAMAN BEAMS . . . . . . . . . . 38
2.2.1 Optical setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2 Adjusting the polarization of each of the beams . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
CHAPTER 3: DIVERGENCE OF AN ATOM LASER : : : : : : : : : : : : : : 42
23.1 M QUALITY FACTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 OUT-COUPLING FROM THE CENTER OF THE BEC . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 REDUCING THE DIVERGENCE OF THE ATOM LASER . . . . . . . . . . . 46
3.4 THEORETICAL MODEL OF THE EXPERIMENT . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 The model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2 Data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 DEPENDENCE ON TRAPPING FREQUENCIES . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6 CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
CHAPTER 4: COHERENT ATOM BEAM SPLITTING : : : : : : : : : : : : : 56
4.1 OVERVIEW ON BRAGG DIFFRACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2 DIFFRACTION FROM A SINGLE LASER BEAM . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 A VELOCITY RESONANT PROCESS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.1 Theoretical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.2 Experimental measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4 BRAGG DIFFRACTION EFFICIENCY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.1 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.2 Theoretical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.5 CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
CHAPTER 5: RF OUT-COUPLING FROM TWO- AND MULTI-LEVEL SYS-
TEMS: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 70
5.1 THEORETICAL MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.1 Time-dependent Gross-Pitaevskii Equations (GPE) . . . . . . . . . . . . 70
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5.1.1.1 GPE for a condensate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.1.2 GPE for a multi-level system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.1.3 Dimensionality reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1.4 Initial conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.2 Numerical method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.2.1 The grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.2.2 Results of the simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 EXPERIMENTAL COMPARISON OF THE MODEL . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.1 Bound state of an atom laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.2 Spatial structure of an atom laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3 COMPARISON OF TWO- AND MULTI-STATE SYSTEMS . . . . . . . . . . . 82
5.3.1 Flux of the atom laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.2 Population dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2.1 Five-state system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2.2 Three- and two-state systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.3 Spatial dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.4 Density fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3.4.1 Five-state system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3.4.2 Three- and two-state systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.5 Flux and fluctuations trade-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4 CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
CHAPTER 6: HELIUM BEC: EXPERIMENTAL SETUP : : : : : : : : : : : : 95
4 6.1 THE METASTABLE HELIUM ATOM He . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
36.1.1 The metastable 2 S triplet state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 951
6.1.2 Penning collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 EXPERIMENTAL SETUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.1 Vacuum system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.2 Optical Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.3 The source of atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2.4 Collimation-Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2.5 The Zeeman Slower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
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6.2.6 Channel Electron Multiplier (Channeltron) . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.7 The MOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2.8 Magnetic trap and evaporative cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.3 CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4CHAPTER 7: OPTICAL TRAPPING OF HE ATOMS : : : : : : : : : : : : : : 119
7.1 OPTICAL DIPOLE POTENTIALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1.1 Oscillator Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.1.1.1 Interaction with a light field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.1.1.2 Atomic Polarizability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.1.1.3 Dipole Potential and Scattering Rate . . . . . . . . . . . . . . 122
7.1.2 Dressed State Picture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.1.2.1 Two-Level Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.1.2.2 Multi-Level Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.2 RED-DETUNED DIPOLE TRAP FOR HE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2.1 Single Gaussian Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.2 Crossed Dipole Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2.3 Experimental Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2.3.1 Light Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2.3.2 Output Beam Waist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.2.3.3 AOM efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2.3.4 Lens focussing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.2.3.5 Loading an optical dipole trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.3 INELASTIC COLLISION RATES IN A GAS OF SPIN-POLARIZED METASTABLE
HELIUM ATOMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.3.1 Spin-dipole Hamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.3.2 Spin relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.3.3 Spin towards S = 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137f
7.3.4 Spin relaxation towards S = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139f
7.3.5 Inelastic collision rates and magnetic field dependence . . . . . . . . . . 140
7.3.6 Future experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.4 CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
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CHAPTER 8: NOVEL ATOM TRAP FOR HE ATOMS IN OPTICAL LATTICES145
8.1 PERIODIC LATTICE POTENTIALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.1.2 Quantum Phase Transition from a Superfluid to a Mott Insulator . . . . . 149
8.1.2.1 Bose-Hubbard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.1.2.2 Superfluid-Mott Insulator quantum phase transition . . . . . . 150
8.1.3 New insight with metastable helium atoms . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.2 NOVEL ATOM TRAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.2.1 Experimental challenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.2.2 Optical lattice requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.2.3 Coil and beam geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.2.4 Trap simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.2.5 Electric circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.2.5.1 Wiring circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.2.5.2 Water cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.3 CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
BIBLIOGRAPHY : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 169
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