Post on 03-Apr-2015
Piégeage d’atomes Piégeage d’atomes au voisinage de au voisinage de
microcircuitsmicrocircuits
Piégeage d’atomes au voisinage de Piégeage d’atomes au voisinage de microcircuitsmicrocircuits
• Composants électroniques de quelques cm²+ circuits micrométriques « microgravés »
• Idée : piéger des atomes froids neutres grâce aux champs B créés par ces courants
• Historique
95 : proposé
99 : démonstrations expérimentales
02 : condensation de Bose-Einstein
Depuis : caractérisation et premières utilisations
• Sujet à la mode !
Références proposées
• J.Reichel et al. « Applications of integrated magnetic microtraps » Appl. Phys. B 72, 81-89 (2001)
• P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)
PLANPLAN
I / Présentation des « Atom I / Présentation des « Atom chips »chips »
II / Cohérence d’un atome piégéII / Cohérence d’un atome piégé
PLANPLAN
I / Présentation des « Atom I / Présentation des « Atom chips »chips »
II / Cohérence d’un atome piégéII / Cohérence d’un atome piégé
• Refroidissement Doppler
Absorption d’un photon = transfert d’impulsion lumière=>matière
Émission spontanée isotrope en moyenne
Généralisation 3D + effet Doppler
• Piège magnéto-optique
Levée de dégénérescence Zeeman dans un champ quadrupolaire : B=b’(x,y,-2z)
Polarisation des lasers : 3 paires de faisceaux contrapropageants de même hélicité
Force moyenne de frottement fluide
Piège magnéto-optiquePiège magnéto-optique
Force de rappel élastique : piégeage
|b’| grand = piège confinant
A partir de http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm
• Champ magnétique quadrupolaire
Piège magnéto-optique : transposition aux atom Piège magnéto-optique : transposition aux atom chipschips
Superposition
• du champ créé par un fil infini
• d’un champ homogène perpendiculaire au fil
=> Champ quadrupolaire 2D avec AXES à 45°
J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)
• z0 I |b’|(z0) I-1
• Effet de la largeur finie des fils
Champ quadrupolaire 2D avec AXES à 45°
Fil en U : piégeage également suivant x
=> champ quadrupolaire 3D (axes à 45°)
J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)
Piège magnéto-optique : transposition aux atom Piège magnéto-optique : transposition aux atom chipschips
• 6 faisceaux laser
D’après J.Schmiedmayer, www.atomchip.net
J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)
Piège magnéto optique miroir :
2 des 6 faisceaux sont générés par réflexion sur une couche d’or
• Polarisations
3 paires de faisceaux contrapropageants de même hélicité
• Limitations du piège magnéto-optique
But : augmenter
Densité dans l’espace réel n
Densité dans l’espace des phases n
Limitation : nmax nécessité d’un piège sans laser : piège magnétique
• Du moins confinant au plus confinant
Chargement du piège : mode opératoireChargement du piège : mode opératoire
• Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques
Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes
• Transfert du centre du PMO plus près de la surface du chip
• Passage adiabatique au champ du courant en U plus champ homogène (« bias ») 108 atomes
• Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques
Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes
• Transfert du centre du PMO plus près de la surface du chip
• Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques
Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes
J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001)
(Remarque : imagerie par fluorescence ou absorption)
• On éteint les lasers V = g mF B B
• Champ quadrupolaire => transition de Majorana (« spin-flip »)
• Nécessité d’un champ non nul au centre : Ioffe-Pritchard : champ harmonique
PMO avec fil en U + bias
PM avec fil en Z + bias
J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001)
J.Schmiedmayer, www.atomchip.net
J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)
• Images
Piège magnétique : description et mise en œuvre Piège magnétique : description et mise en œuvre expérimentaleexpérimentale
• On éteint les lasers V = g mF B B
• Champ quadrupolaire => transition de Majorana (« spin-flip »)
• Nécessité d’un champ non nul au centre : Ioffe-Pritchard : champ harmonique
• Remarque : piège magnétique encore hamiltonien…
CBE obtenu par refroidissement évaporatif (onde rf)
Transport dans toutes les directions
Transport à partir d’un réservoir
Séparation et recombinaison
=> interféromètre
Manipulations plus complexesManipulations plus complexes
J.Schmiedmayer, www.atomchip.netJ.Reichel, www.mpq.mpg.de/~jarJ.Schmiedmayer, www.atomchip.net
a : Transport du CBE sur 1.6 mm en 100 ms avec le tapis roulant magnétique.
b : Images de temps de vol après relâchement du piège, en 19.3 ms
Structure bimodale après le transport (cigare) c’est encore un condensat !
J.Reichel, www.mpq.mpg.de/~jar
• Forts gradients de champ magnétiques => pièges très confinants
• Miniaturiser les manip d’atomes froids
(horloges, interféromètres : mesures de précision portables)
• « Démocratiser » les manip d’atomes froids
(Pas de forts courants dans des bobines refroidies à l’eau, nécessité d’un vide 100 fois moins poussé)
• Intégrer d’autres dispositifs sur le même chip
(Cavités optiques, électrodes, laser fibrés…)
• Étudier les interactions atomes/surface
(Dépopulation, décohérence, réchauffement dus à la surface Refroidissement par évaporation induite par la surface)
• Candidat sérieux pour l’information quantique
Intérêts des atom chipsIntérêts des atom chips
PLANPLAN
I / Présentation des « Atom I / Présentation des « Atom chips »chips »
II / Cohérence d’un atome piégéII / Cohérence d’un atome piégé
• Atom chips = candidat intéressant pour l’information quantique
q-bits ( |0> + |1> ) N (différent de |00…0> + |11…
1> !)
• Question : effet de la surface dans la décohérence de la superposition cohérente d’états
Cohérence d’un atome piégé : introductionCohérence d’un atome piégé : introduction
• Idée : comparer
•Manip d’atomes froids « standards » :
D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions on spin coherence and resonance shifts in a magnetically trapped ultracold gas », PRA 66,053616 (2002)
•Atom chips :
P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)
Description du systèmeDescription du système
• Niveaux hyperfins du fondamental 5S1/2 du 87Rb
• |0> et |1> états piégés dans un piège magnétique (gFmF>0)
• Transition à deux photons (mF=2) => oscillations de Rabi
• Idée : spectroscopie Ramsey (imagerie par absorption)
• Sources de décohérence possibles
Dépendance de 01 en B (et donc de RABI) => bruit de phase
-Fluctuations temporelles de B (courants sur la surface ou labo)
-T>0 : les atomes bougent, et B(z) => les atomes voient un B(t)
Shift collisionnel (dépend de T et de la densité)
Surface
• Pour voir le rôle de la surface : minimiser les autres sources de décohérence et se placer dans les mêmes conditions que D.M.Harber et al.
Décohérence due à la surface ?Décohérence due à la surface ?
E0 et E1 dépendent de B => dépend de B
Au 1er ordre, E=gFmFBB et (gFmF)|0>=(gFmF)|1> : pas d’effet Zeeman
différentiel linéaire
En réalité : effet Zeeman différentiel quadratique
Minimisation de l’effet Zeeman différentielMinimisation de l’effet Zeeman différentiel
D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions… », PRA 66,053616 (2002)
minimisé en B0=3.23 G
Choix Bbias=3.23 G
Spectroscopie RamseySpectroscopie Ramsey
RésultatsRésultats
• Incertitude énorme !
• Piège macroscopique
C ≈ 2.5 s : comparable
La surface semble ne pas jouer de rôle majeur…
P.Treutlein et al. : « Coherence … », PRL 92,203005 (2004)
Fit : sin²(RTR) exp(-TR/C)/2 pulse à R=01-(mw+rf) fixé
Rôle de d, distance atomes-surfaceRôle de d, distance atomes-surface
• TR fixé, R=01-(mw+rf) varie via mw+rf => franges + fit => on extrait C(TR)
• d varie de 5 à 132 m : grosse amplitude ! C ≈ cte
• T et n0 varient à chaque point… (?)
P.Treutlein et al. : « Coherence … », PRL 92,203005 (2004)
Conclusion de l’article de P.Treutlein Conclusion de l’article de P.Treutlein et al.et al.
• Contraste indépendant de d à la précision expérimentale
• Décohérence due principalement
à l’effet Zeeman différentiel résiduel (fluctuations de B ≈ 6 mG dans le labo)
au shift collisionnel
• Ouvertures
Horloges atomiques (précision 10-13 -1/2 Hz -1/2 envisageable)
Information quantique : C suffisant pour y croire !
ConclusionConclusion• Perspectives :
Caractérisations plus poussées
Mesures de précision (horloges, interféromètres atomiques…)
Couplage à d’autres manips de la physique atomique
Atom chip =
nouvel outil dans le pool des techniques expérimentales de la physique atomique
RéférencesRéférences• J.Reichel et al. « Applications of integrated magnetic microtraps » Appl. Phys. B 72, 81-89 (2001)
• P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)
• J.Reichel, « Microchip traps and Bose-Einstein condensation » Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)
• D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions on spin coherence and resonance shifts in a magnetically trapped ultracold gas », PRA 66,053616 (2002)
• J.Dalibard : poly d’atomes froids (2003)
• T.Nirrengarten, « Piégeage d’atomes de Rydberg au voisinage d’un chip supraconducteur », rapport de DEA (2003)
• E.Young, rapport de stage long de MIP2 (2003)
• http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm
• http://www.mpq.mpg.fr/~jar
• http://www.atomchip.org