Refroidissement d'atomes de césium confinés dans un piège dipolaire très désaccordé
Résumé
Several methods for cooling caesium atoms trapped in a non dissipative optical trap (crossed dipole trap) are presented in this thesis. The trap consists of two Nd:YAG focused beams. Atoms in one of the hyperfine ground states remain trapped at the crossing of the two beams for one to two seconds. Available densities are as high as 10^12 atomes/cm3. To manipulate these atoms, we use a two-photon stimulated Raman transition between the hyperfine ground states. We present a new Raman pulse very efficient, using rapid adiabatic passage between these states. This new pulse is used in all the cooling experiments presented here.
For a first kind of cooling experiment, we produce a one-dimensional lattice with a period of the order of the wavelength superposed to the trap. The resulting vibrational levels are resolved by the Raman transitions. Atoms are cooled in this lattice using resolved-sideband cooling, a method first used on ions and applied here on neutral atoms for the first time. 90% of the atoms are cooled to the zero-point of motion in the lattice.
This thesis also presents the results obtained by Raman cooling of trapped atoms. This technique, very efficient in one dimension on free atoms, is applied in three dimensions to trapped atoms, polarized or not. We have developed a method to polarize and cool the atoms at the same time using Raman transitions. We get temperatures in the 2 µK range at atomic densities of 10^12 atomes/cm3 which represents a gain of three to four orders of magnitude in phase-space density with respect to a magneto-optical trap. We show that the limit we reach is due to reabsorption of resonant photons produced by the repumping process. By lowering the atomic density during Raman cooling, the reabsorption is reduced and we get temperatures as low as 680 nK.
For a first kind of cooling experiment, we produce a one-dimensional lattice with a period of the order of the wavelength superposed to the trap. The resulting vibrational levels are resolved by the Raman transitions. Atoms are cooled in this lattice using resolved-sideband cooling, a method first used on ions and applied here on neutral atoms for the first time. 90% of the atoms are cooled to the zero-point of motion in the lattice.
This thesis also presents the results obtained by Raman cooling of trapped atoms. This technique, very efficient in one dimension on free atoms, is applied in three dimensions to trapped atoms, polarized or not. We have developed a method to polarize and cool the atoms at the same time using Raman transitions. We get temperatures in the 2 µK range at atomic densities of 10^12 atomes/cm3 which represents a gain of three to four orders of magnitude in phase-space density with respect to a magneto-optical trap. We show that the limit we reach is due to reabsorption of resonant photons produced by the repumping process. By lowering the atomic density during Raman cooling, the reabsorption is reduced and we get temperatures as low as 680 nK.
Dans ce mémoire sont présentées plusieurs méthodes de refroidissement d'atomes de césium confinés dans un piège optique à faible taux de diffusion, le piège dipolaire croisé. Le piège est constitué de deux faisceaux focalisés croisés issus d'un laser Nd:YAG. Les atomes, dans l'un des sous-niveaux hyperfins de l'état fondamental, restent confinés au croisement des foyers pendant une à deux secondes. Les densités accessibles sont élevées 10^12 atomes/cm3 environ). Pour manipuler ces atomes, on utilise la transition Raman stimulée à deux photons entre les états hyperfins. Une nouvelle forme d'impulsion très efficace reposant sur un transfert adiabatique entre ces niveaux a été mise au point au cours de ce travail. Cette impulsion est utilisée dans toutes les expériences de refroidissement décrites dans cette thèse.
Dans une première série d'expériences, on superpose au piège un réseau interférentiel unidimensionnel de pas comparable à la longueur d'onde optique. On peut résoudre la structure vibrationnelle induite avec les transitions Raman. Les atomes sont refroidis dans ce réseau par la méthode du refroidissement par bandes latérales initialement développée pour les ions et appliquée pour la première fois ici aux atomes neutres. On prépare ainsi un échantillon d'atomes froids avec 90% des atomes dans le niveau fondamental du réseau.
Cette thèse présente également les résultats obtenus sur les atomes piégés par refroidissement Raman. Cette technique, très efficace à une dimension sur les atomes libres, est étendue à trois dimensions sur des atomes piégés, polarisés ou non. On a développé ici une méthode permettant simultanément de polariser et de refroidir les atomes en utilisant la transition Raman. On obtient des températures de l'ordre de 2 µK avec des densités atomiques de l'ordre de 10^12 atomes/cm3, ce qui représente un gain de trois à quatre ordres de grandeur par rapport à un piège magnéto-optique. On montre que la limite atteinte est due à la réabsorption par les atomes refroidis de photons résonnants issus du repompage. En réduisant volontairement la densité atomique, on limite la réabsorption, ce qui permet d'atteindre des températures encore plus basses (680 nK).
Dans une première série d'expériences, on superpose au piège un réseau interférentiel unidimensionnel de pas comparable à la longueur d'onde optique. On peut résoudre la structure vibrationnelle induite avec les transitions Raman. Les atomes sont refroidis dans ce réseau par la méthode du refroidissement par bandes latérales initialement développée pour les ions et appliquée pour la première fois ici aux atomes neutres. On prépare ainsi un échantillon d'atomes froids avec 90% des atomes dans le niveau fondamental du réseau.
Cette thèse présente également les résultats obtenus sur les atomes piégés par refroidissement Raman. Cette technique, très efficace à une dimension sur les atomes libres, est étendue à trois dimensions sur des atomes piégés, polarisés ou non. On a développé ici une méthode permettant simultanément de polariser et de refroidir les atomes en utilisant la transition Raman. On obtient des températures de l'ordre de 2 µK avec des densités atomiques de l'ordre de 10^12 atomes/cm3, ce qui représente un gain de trois à quatre ordres de grandeur par rapport à un piège magnéto-optique. On montre que la limite atteinte est due à la réabsorption par les atomes refroidis de photons résonnants issus du repompage. En réduisant volontairement la densité atomique, on limite la réabsorption, ce qui permet d'atteindre des températures encore plus basses (680 nK).
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