Refroidissement Raman et vols de Lévy: Atomes de césium au nanoKelvin - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1996

Raman cooling and Lévy flights: Cesium atoms at the nanoKelvin

Refroidissement Raman et vols de Lévy: Atomes de césium au nanoKelvin

Jakob Reichel

Résumé

Subrecoil laser cooling of free atoms leads to temperatures which are limited only by the available interaction time. This thesis presents in its first part a theory of subrecoil cooling using Lévy flight statistics, which is tested by Monte Carlo simulations and applied to the technique of Raman cooling. This work shows the importance of the cooling pulse shape and gives the first quantitative expression for the lowest temperature that can be obtained with good efficiency in a given time. In particular, for one-dimensional cooling, simple square pulses are more efficient than the Blackman pulses used previously. Furthermore, it is shown how theory and simulations can be used to obtain the optimum cooling parameters, such as pulse lengths and detunings.

These new results are applied in a one-dimensional Raman cooling experiment using caesium atoms. The all-diode-laser setup includes a magneto-optical trap in a vapour cell and two lasers phase-locked with a frequency difference of 9.19 GHz to drive the Raman transitions. Using square pulses, the experiment leads to a 1D temperature of 2.8 nK with a tenfold increase in peak height with respect to the initial distribution. Still lower temperatures down to 0.8 nK are obtained with slightly reduced peak height. These are to our knowledge the lowest temperatures achieved in laser cooling. At these temperatures, the atomic wave function is delocalized over more than 10 optical wavelengths.

Applications of such an extremely cold atomic sample range from the observation of Bloch oscillations of atoms in a periodic optical potential to improvement of atomic fountain clocks. Subrecoil cooling of trapped atoms is a promising approach to the production of quantum degenerate gases using solely optical techniques.
Les températures que l'on peut atteindre par refroidissement laser sub-recul d'atomes libres ne sont limitées que par le temps d'interaction. Cette thèse présente dans sa première partie une théorie du refroidissement sub-recul qui utilise les vols de Lévy, qui est confirmée par simulations Monte-Carlo et appliquée à la méthode du refroidissement Raman. Ce travail montre l'importance de la forme des impulsions Raman et donne la première expression quantitative de la température la plus basse que l'on peut atteindre avec une bonne efficacité dans un temps donné. En particulier, de simples impulsions carrées sont plus efficaces pour le refroidissement unidimensionnel que les impulsions Blackman utilisées auparavant. De plus, nous montrons comment la théorie et les simulations permettent de déterminer les valeurs optimales des paramètres tels que durée et désaccord des impulsions.

Ces résultats nouveaux sont appliqués dans une expérience de refroidissement Raman unidimensionnel utilisant des atomes de césium. Le dispositif, qui utilise uniquement des diodes laser, comprend un piège magnéto-optique en cellule et deux lasers verrouillés en phase avec une différence de fréquence de 9.19 GHz pour exciter la transition Raman. En utilisant des impulsions carrées, on obtient une température unidimensionnelle de 2.8 nK avec une hauteur du pic à vitesse nulle qui est 10 fois celle de la distribution initiale. Nous avons atteint des températures encore plus basses, jusqu'à 0.8 nK, avec un gain légèrement inférieur. Ces résultats représentent à notre connaissance les plus basses températures atteintes par refroidissement laser. A ces températures, la fonction d'onde atomique est délocalisée sur plus de 10 longueurs d'onde optiques.

Les applications d'un tel ensemble atomique ultrafroid vont de l'observation d'oscillations de Bloch d'atomes dans un potentiel périodique lumineux jusqu'à l'amélioration des horloges atomiques. Le refroidissement sub-recul d'atomes piégés dans un potentiel lumineux constitue une voie prometteuse pour la production d'un gaz quantique dégénéré avec des techniques purement optiques.
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Dates et versions

tel-00004691 , version 1 (16-02-2004)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00004691 , version 1

Citer

Jakob Reichel. Refroidissement Raman et vols de Lévy: Atomes de césium au nanoKelvin. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 1996. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00004691⟩
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