Mesures de champs au niveau du photon par interférométrie atomique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1994

Measurements of fields at the single photon level by atom interferometry

Mesures de champs au niveau du photon par interférométrie atomique

Paulo Nussenzveig
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 832621

Résumé

Two neighbouring levels of a Rydberg atom coupled to a high quality-factor microwave cavity are an excellent tool for the study of matter - wave interactions at the most basic level. The system is so simple (a two-level atom coupled to a single mode of the field) that most phenomena can be described analytically. In this work we study dispersive effects of the non-resonant atom - cavity interaction. We have measured the linear dependence of the atomic energy level-shifts on the average photon number in the cavity. Light shifts induced by an average microwave field intensity weaker than a single photon have been observed. It has also been possible to measure the residual shift of one of the two levels of the atomic transition in the absence of an injected field: a Lamb shift due to a single mode of the field. A sensitive measurement of these energy shifts is performed by an interferometric method: the Ramsey separated oscillatory fields technique. Future experiments, in a situation of very weak field relaxation, are proposed. The quantum behavior of the field will then be dominant and it shall be possible to perform a Quantum Non-Demolition measurement of the photon number: since the interaction is non-resonant, the atoms can neither absorb nor emit photons in the cavity. The performed experiments demonstrate the sensitivity of the apparatus and set the stage for future non-demolition measurements and for the study of "mesoscopic" Schrödinger cat states of the field, on the boundary between classical and quantum worlds.
Une transition entre deux niveaux voisins d'un atome de Rydberg et une cavité micro-onde de très haut facteur de qualité constituent un excellent outil pour la recherche sur les interactions matière- rayonnement au niveau le plus fondamental. La simplicité du système (deux niveaux atomiques couplés à un seul mode du champ) permet un traitement analytique complet de la plupart des phénomènes. Dans ce mémoire nous étudions les effets dispersifs de l'interaction non-résonnante entre atomes et cavité. Nous avons mesuré la variation linéaire des déplacements des niveaux d'énergie atomiques avec le nombre moyen de photons dans la cavité. Des déplacements dus à une intensité moyenne inférieure au photon unique ont été observés. En l'absence de champ injecté, il a été possible de mesurer le déplacement résiduel d'un des deux niveaux de la transition atomique: un déplacement de Lamb dû à un seul mode du champ. Ces déplacements d'énergie sont mesurés de façon sensible par une méthode interférométrique: la technique des champs oscillants séparés de Ramsey. Des expériences futures, dans une situation de très faible relaxation du champ, sont proposées. Le caractère quantique du champ sera alors dominant et il sera possible de réaliser une mesure nondestructive du nombre de photons: le caractère non-résonnant de l'interaction assure que les atomes ne peuvent ni absorber ni émettre des photons dans la cavité. Les expériences réalisées démontrent la sensibilité de l'appareil et ouvrent la voie à ces mesures non-destructives ainsi qu'à l'étude de systèmes "mésoscopiques" (états "chat de Schrödinger" du champ), à la "frontière" entre les mondes classique et quantique.
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Dates et versions

tel-00011897 , version 1 (09-03-2006)

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  • HAL Id : tel-00011897 , version 1

Citer

Paulo Nussenzveig. Mesures de champs au niveau du photon par interférométrie atomique. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 1994. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011897⟩
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