REFROIDISSEMENT PAR EVAPORATION D'UN JET D'ATOMES FROIDS GUIDE MAGNETIQUEMENT. DYNAMIQUE DES GAZ D'ATOMES FROIDS PIEGES. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Hdr Année : 2005

Evaporative Coolong Of A Magnetically Guided Beam Of Ultracold Atoms

REFROIDISSEMENT PAR EVAPORATION D'UN JET D'ATOMES FROIDS GUIDE MAGNETIQUEMENT. DYNAMIQUE DES GAZ D'ATOMES FROIDS PIEGES.

David Guéry-Odelin
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 830328

Résumé

In this manuscript, I present the scientific work I did after my
Ph.D. During this period, my research activity was focussed on two
main topics: (i) an experiment on ultracold atoms aimed at
realizing a continuous source of coherent matter waves, and (ii) a
theoretical investigation of the dynamics of trapped gases.

In our experimental project, a non-degenerate, but already slow
and cold beam of atoms, is injected into a magnetic guide where
transverse evaporation is implemented. In other words, we intend
to replace the time-dependent aspects of the cooling process
involved in a regular Bose Einstein condensation machine, by a
setup where the atoms are progressively cooled as they move along
spatially separated cooling regions. This should allow us to reach
continuous fluxes of condensed atoms. This source, whose
properties will be very different from those of a thermal atomic
beams, will provide a very useful tool for many experiments. Among
those are atomic Rb fountain clocks, for which a continuous
operation would allow for a significant increase of the signal to
noise ratio. It is ideally suited for precision measurement. Also
matter wave interferometers, atom holography and nanolithography
experiments would benefit of such a well-collimated atomic beam.

In the first chapter, I describe the different stages of the
experimental setup and the first results that we obtained. Two
atom sources have been studied to load efficiently an anistropic
magneto-optical trap which serves as an injector of ultracold
atoms into a magnetic guide: (i) a two dimensional magneto-optical
trap with high cooling laser power, and (ii) an optimized Zeeman
slower placed at the exit of a recirculating effusive oven. With
the latter, a loading rate of $4\times 10^{10}$ atoms/s have been
measured for the injector. The confinement of atoms in the
injector is provided by transverse gradient of magnetic fields,
and the launching of atoms relies on the moving molasses
technique. The magnetic guide, whose entrance is placed at few
centimeters from the injector magneto-optical trap center,
provides strong magnetic gradient without affecting the
performance of the magneto-optical trap. We have demonstrated
experimentally, and for the first time, the continuous loading of
a slow and cold atomic beam into a magnetic guide. To optimize the
transfer, we have studied different coupling schemes in the
continuous and pulsed modes. The characteristics of the beam
magnetically guided are the following: a flux of $7\times 10^9$
atoms/s, a temperature of 400 $\mu$K for a strength of the
confinement of 600 Gauss/cm, and a mean velocity of 1 m/s.

The second chapter is devoted to the physics of collisions on our
magnetically guided atomic beam. We first present a new
spectroscopic method to measure the temperature of the beam. By
means of two radio-frequency antennas placed at different location
on the magnetic guide, we were able to set the beam in an
out-of-equilibrium state, and to follow the restoring of
equilibrium with the second antenna. This experiment shows the
occurrence of thermalization in the d-wave dominated regime. Atoms
have also been subsequently slowed down to 60 cm/s using an upward
slope. The relative high collision rate in the beam allows us to
start forced evaporative cooling of the beam, leading to the
reduction of the beam temperature by a factor of 4, and a ten-fold
increase on the on-axis phase-space density.

The last chapter addresses some theoretical questions related to
the dynamics of trapped gases. We have developed two new tools
well-adapted to analyse the dynamics of gases confined by a
harmonic potential. The first one is the method of averages for a
classical gas. It has permitted to study the collective
oscillations, the spinning up by a rotating anisotropy, and the
thermalization of mixtures of ultracold gases. This tool has also
been extended to the case of a Bose Einstein condensate in the
Thomas-Fermi regime. It has been used to propose the investigation
of the scissors mode. Such a pendular oscillation reveals the
effect of superfluidity exhibited by a Bose Einstein condensate.
The second tool that we have developed is based on approximated
solutions of the Boltzmann equation with a scaling ansatz. Within
this framework, we have shown a link between the relaxation times
relevant for the damping of the collective oscillations and for
the expansion of a gas in a time-of-flight experiment. Both
methods can also describe the crossover between the collisionless
and hyrodynamic regime of a trapped gas in the classical regime.
Our theoretical predictions have been confronted to experiments.
The tools we have developed have also been extensively used and
adapted to address related questions of our field.
Dans ce manuscrit, je présente la presque totalité de mes travaux
scientifiques depuis ma soutenance de thèse. Au cours de cette
période, mon activité de recherche a été double : (i) j'ai pris en
charge une nouvelle expérience visant à produire une source
continue d'ondes de matière cohérentes, et (ii) j'ai développé des
outils analytiques pour cerner la dynamique des gaz d'atomes
froids piégés.

Dans notre projet expérimental, un jet d'atomes froids et lents
mais non dégénéré est couplé à un guide magnétique le long duquel
un refroidissement par évaporation est mis en oeuvre. En d'autres
termes, nous essayons de transposer les aspects temporels du
protocole d'obtention des condensats de Bose Einstein dans le
domaine spatial : dans notre montage les atomes sont
progressivement refroidis grâce à des zones de refroidissement
séparées spatialement. Une telle démarche doit permettre d'obtenir
un flux continu d'atomes condensés. Une source de ce type, dont
les propriétés sont radicalement différentes de celles d'une
source thermique, pourrait constituer un outil de choix pour de
nombreuses expériences. Les horlosges atomiques, les
interféromètres à ondes de matière, l'holographie atomique ou
encore la nanolithographie sont autant de domaines qui peuvent
potentiellement bénéficier d'amélioration par l'usage d'une source
continue et cohérente d'atomes froids.

Dans le premier chapitre, je décris les différentes parties du
dispositif expérimental et les premiers résultats que nous avons
obtenus. Deux sources d'atomes ont été étudiées pour alimenter
efficacement un piège magnéto-optique anisotrope qui sert
d'injecteur d'atomes froids dans le guide magnétique : (i) un
piège magnéto-optique purement bi-dimensionnel avec des faisceaux
de refroidissement d'intensité relativement élevée , et (ii) un
ralentisseur à effet Zeeman placé en sortie d'un four effusif à
recirculation. Cette dernière source a permis de mesurer un taux
de chargement de l'injecteur de $4\times 10^{10}$ atomes par
seconde. Le confinement magnétique dans l'injecteur est assuré par
un gradient de champ magnétique, alors que le lancement exploite
la technique de la mélasse en mouvement. Le guide magnétique, dont
l'entrée est placée à quelques centimètres seulement de
l'injecteur, procure un gradient de confinement élevé sans altérer
aucunement les performances de l'injecteur. Nous avons démontré,
et pour la première fois, l'alimentation en continu d'un guide
magnétique. Pour optimiser le transfert d'atomes, nous avons
étudié différents protocoles de couplage en mode continu comme en
mode pulsé. Les caractéristiques de notre jet atomique guidé sont
désormais les suivantes : un flux de $7\times 10^9$ atomes par
seconde, une température de 400 micro K pour un confinement
transverse de 600 Gauss/cm, et une vitesse moyenne de 1 m/s.

Le deuxième chapitre est dédié à la physique des collisions au
sein du jet d'atomes guidé magnétiquement. Nous présentons tout
d'abord une nouvelle technique spectroscopique de mesure de la
température du jet. Grâce à deux antennes radio-fréquences
disposées le long du guide, nous avons pu mettre le jet dans un
état hors d'équilibre, puis suivre le retour à l'équilibre grâce à
l'antenne placée en aval. Cette expérience montre le phénomène de
thermalisation dans un régime collisionnel dominé par les ondes d.
Dans une deuxième série d'expériences, le jet a été ralenti à une
vitesse de 60 cm/s grâce à une pente appliquée sur la première
partie du guide magnétique. Le taux de collisions relativement
élevé a permis d'amorcer le refroidissement par évaporation forcé.
Une réduction de la température par un facteur 4 a ainsi été
obtenue, correspondant à un gain en densité dans l'espace des
phases d'un ordre de grandeur.

Le dernier chapitre est consacré au développement de méthodes
analytiques pour caractériser la dynamique des gaz piégés. Nous
mis au point essentiellement deux outils. Le premier est la
méthode dite des moyennes. Il a permis d'étudier les oscillations
collectives d'un gaz classique, la mise en rotation d'un gaz par
le biais d'une anisotropie tournante, et la dynamique de
rethermalisation d'un mélange de gaz d'atomes froids. Cet outil a
pu être étendu au cas d'un condensat de Bose Einstein dans le
régime de Thomas-Fermi. Il a ainsi été possible d'étudier le mode
ciseau. Ce mode d'oscillation pendulaire révèle les propriétés de
superfluidité d'un condensat de Bose Einstein. Le deuxième outil
que nous avons développé repose sur des solutions approchées par
changement d'échelle de l'équation de Boltzmann. Nous avons montré
ainsi que les temps de relaxation pertinents pour décrire
l'amortissement des oscillations collectives d'un gaz classique
piégé, et les expériences de temps de vol sont intimement reliés.
Les deux méthodes que nous avons élaborées permettent de décrire
également tous les régimes collisionnels, et en particulier la
transition d'un régime sans collision à un régime hydrodynamique.
L'essentiel de nos prédictions théoriques a été utilisé soit pour
analyser, expliquer ou extraire des informations de données
expérimentales. Les outils que nous avons développés ont par
ailleurs été largement utilisés et adaptés pour traiter des
problèmes connexes de notre communauté.
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Dates et versions

tel-00112221 , version 1 (07-11-2006)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00112221 , version 1

Citer

David Guéry-Odelin. REFROIDISSEMENT PAR EVAPORATION D'UN JET D'ATOMES FROIDS GUIDE MAGNETIQUEMENT. DYNAMIQUE DES GAZ D'ATOMES FROIDS PIEGES.. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2005. ⟨tel-00112221⟩
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