Coherent manipulation of an ytterbium Bose-Einstein condensate on the "clock" transition : from spectroscopy to artificial magnetism.
Manipulation cohérente d'un condensat de Bose-Einstein d'ytterbium sur la transition "d'horloge" : de la spectroscopie au magnétisme artificiel.
Résumé
In this thesis, we report on the construction of an experiment aimed at trapping and cooling an ytterbium gaz, in order to realize artificial magnetic fields. In the long term, this setup will allow the study of strongly correlated quantum states which are atomic analogs of integer or fractional quantum Hall systems.
We first present the building of our experimental apparatus, and the optical cooling of ytterbium 174. In particular, we report on the design of a Zeeman slower, allowing for the direct loading of a magneto-optical trap operated on ytterbium's intercombination transition. The atomic cloud is then transported in an optical dipole trap. A subsequent evaporative cooling stage results in the production of Bose-Einstein condensates of about 50 000 atoms.
We then describe the construction of an ultra-narrow laser system at 578nm, able to drive ytterbium's "clock" transition. The laser frequency is stabilized using a high-finesse Fabry-Perot cavity, whose properties are precisely characterized in this work. Specifically, we present a method to calibrate the absolute frequency of the cavity by comparison with an optical transition of molecular iodine.
Finally, we discuss the results of spectroscopic measurements done on ytterbium condensates using the ultra-narrow laser. We also report on the coherent manipulation of the condensate on the clock transition, consisting in the observation of Rabi oscillations. These preliminary experiments should allow for a measurement of ytterbium's scattering properties.
Dans cette thèse, nous faisons état de la construction d'un dispositif expérimental capable de piéger et refroidir un gaz d'ytterbium, dans l'optique de simuler des champs magnétiques artificiels. Ce dispositif permettra, à terme, de produire et de caractériser des états quantiques fortement corrélés, semblables aux états rencontrés dans la physique de l'effet Hall quantique, entier ou fractionnaire.
Dans un premier temps, nous décrivons la construction des parties de notre dispositif consacrées au refroidissement optique de l'ytterbium 174. En particulier, nous présentons la conception d'un ralentisseur Zeeman, permettant le chargement direct d'un piège magnéto-optique effectué sur la transition d'intercombinaison de l'ytterbium. Après transport dans un piège optique, une étape de refroidissement évaporatif nous permet d'obtenir des condensats de Bose-Einstein contenant environ 50 000 atomes d'ytterbium. Les condensats produits sont alors chargés dans un réseau optique vertical à la longueur d'onde "magique".
Nous présentons ensuite la construction d'un système laser étroit à 578nm capable d'exciter la transition "d'horloge" de l'ytterbium. Le laser est asservi sur une cavité Fabry-Perot de grande finesse servant de référence de fréquence, dont nous avons caractérisé les différentes propriétés. Nous présentons en particulier une méthode permettant de calibrer rapidement la fréquence absolue de la cavité par comparaison avec une transition de la molécule de diiode.
Finalement, nous présentons les résultats d'expériences de spectroscopie effectuées sur des condensats d'ytterbium à l'aide du laser étroit, ainsi que la manipulation cohérente du condensat sur la transition d'horloge au cours d'expériences d'oscillations de Rabi. Ces expériences préliminaires ouvrent notamment la voie à la mesure des propriétés colisionnelles de l'ytterbium 174.
