Spectroscopie atomique avec un confinement nanométrique ou tridimensionnel Recherche d’un effet de température dans l’interaction Casimir-Polder en champ proche - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Hdr Année : 2016

Atomic spectroscopy with nanometric or 3D confinement Temperature dependence of the atom-surface interaction in thermal equilibrium

Spectroscopie atomique avec un confinement nanométrique ou tridimensionnel Recherche d’un effet de température dans l’interaction Casimir-Polder en champ proche

Isabelle Maurin
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 914848

Résumé

The atom-surface interaction is an universal dipole-dipole interaction between neutral bodies and a key phenomenon in the ultimate cohesion of the matter. It scales in z-3 (z: the atom-surface distance) in the electrostatic van der Waals (vW) regime. It is valid typically for a distance range spanning from 1nm up to 1000 nm. Only few experiments have been done to test the predicted dependence. We developed spectroscopic experiments investigating the vW interaction exerted onto atoms of a vapor nanocell and checked this z-3 scaling law until a distance of 20 nm. We also analyzed, with the tools of high resolution laser spectroscopy, the optical spectrum of a gas confined in the sub-micron interstitial regions of an opal. We observed a narrow sub-Doppler structures in the reflection spectrum for large range of oblique incidence. To understand this, we developed a 1D modeling based on a stratified effective index. Depending on the incident angle, a very good matching can occur between the optical periodicity of the propagating wave and the geometrical distribution of the resonant material in the opal. Under this matching condition, the resonant response originates from in-depth voids, and not only from the first layers. From this, we deduce that the narrow structures observed originated from the 3D confinement in the opal. Finally, we have experimentally established that vW atom-surface interaction can be strongly modified by the temperature effects. Our experiments permitted to check the quantum electrodynamic predictions for temperature as high as 1000 K. The coupling between the resonant surface thermal emission and the atomic transitions is mainly responsible in an increasing or decreasing of the vW interaction when the surface temperature is changed. Atoms act a sensitive quantum probe of the coherent thermal filed.
L'attraction de surface van der Waals ou Casimir-Polder en champ proche est une interaction connue pour varier suivant l'inverse du cube de la distance de l'atome à la surface, pour des distances allant de 1 (détails structuraux négligeables) à 1000 nm (effets de propagation négligeables). Rares ont été les expériences qui ont testées effectivement cette dépendance. Nous avons développé une série d'expériences de spectroscopie analysant l'interaction de van der Waals en fonction de la distance atome - surface sur une vapeur d’atomes contenue dans une nanocellule et avons vérifié cette loi jusqu'à une distance de 20 nm. Nous avons ensuite étudié le comportement d'une vapeur confinée, à trois dimensions, dans les régions interstitielles d'une opale (réseau bidimensionnel de nanosphères). Nos expériences de spectroscopie de réflexion sur la raie de résonance du césium montrent, dans ce cas, des formes de raie sous-Doppler sur une large plage d’angles d’incidence. Ceci est conforme aux prévisions d'un calcul basé sur un indice effectif stratifié 1D que nous avons développé. Pour certaines incidences, en effet, il y a accord de phase entre la périodicité optique avec laquelle l’onde se propage dans l’opale et la distribution géométrique du milieu résonant à l’intérieur de l’opale. Sous ces conditions, la réponse résonnante fait interférer constructivement les interstices des premières couches et ceux des couches profondes. Les structures spectroscopiques étroites observées proviendraient donc bien du confinement tridimensionnel dans l'opale. Pour finir, nous avons évalué la dépendance en température de l’interaction de van der Waals avec la température de la surface. Nos expériences ont permis de vérifier les prédictions de l'électrodynamique quantique (QED) pour des températures aussi élevées que 1000 K. Nous avons montré que selon l’importance du couplage plus ou moins résonant entre l’émission d’un mode de surface d’une surface chauffée et son absorption par un atome, l’interaction atome-surface pouvait augmenter ou diminuer avec la température. L'atome se comporte alors comme une sonde quantique du champ proche émis par la surface chauffée.
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Dates et versions

tel-01449159 , version 1 (30-01-2017)

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  • HAL Id : tel-01449159 , version 1

Citer

Isabelle Maurin. Spectroscopie atomique avec un confinement nanométrique ou tridimensionnel Recherche d’un effet de température dans l’interaction Casimir-Polder en champ proche . Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris 13 - Sorbonne Paris Cité, 2016. ⟨tel-01449159⟩
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