Saida_Guellati
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Manipulation d’atomes par laser et métrologie des constantes fondamentales Saïda GUELLATI-KHELIFA Laboratoire Kastler Brossel (CNRS-UPMC-ENS) Conservatoire National des Arts et Métiers L’atome est universel Appareil de mesure universel Interroger un seul atome ? Dans la nature, un atome n’est jamais seul… Comment se procurer les atomes pour une expérience de physique atomique? Nv V = 700 m/s T Agitation thermique Dispersion en vitesse SOLUTION Refroidir les atomes par laser T. W. Hänsch and Schawlow, Opt. Comm. 13, 68 (1975) D. Wineland and H. Dehmelt, Bul. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975) Effet « mécanique » de la lumière sur les atomes Manifestation macroscopique Kepler 1619 Effet « mécanique » de la lumière sur les atomes Absorption + émission spontanée EEe e Photon (ħk, hn) EEf ff Ee – (ħ E f k, = hhn) n Photon Dv = ħ k /M = vr Atome + Laser : Force de pression de radiation s0 kΓ F V 2 1 s0 4ωat ωL k L V 2 / Γ 2 Accélération = 100 000 g Ralentissement d’un jet atomique par balayage de fréquence Condition de résonance wL - kL v (z) = wat Refroidissement Doppler n < n at n < n at Force de friction F = - a V Milieu « optiquement » visqueux Mélasse optique Piége magnéto-optique m = -1 m= 0 m = +1 e (J = 1) s+ sf (J = 0) m=0 position F=-aV–br Mélasse à 3D Effet Doppler Piégeage Effet Zeeman Quelques ordres de grandeurs Piège + refroidissement Doppler et sub-Doppler n = 1010 atomes/cm3 T ≈quelques mKelvin • Horloge atomique • Mesure de la constante de structure fine • Interférométrie atomique l’Horloge atomique Oscillateur à Quartz La seconde est la durée de 9 192 631Multiplicateur 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux de fréquence niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de Césium Boucle de rétroaction Signal d’interrogation Signal d’erreur Réponse atomique Résonateur atomique Ee P (n) n Ef n0 n Principe de double interrogation: Ramsey Four détecteur 1 δν 2T A la quête de l’exactitude des expériences de dimensions surhumaines Fontaine atomique == un jet atomique vertical Fontaine atomique de Zacharias (MIT 1953) Nv V = 100 m/s La hauteur de la fontaine 500 m Fontaine à atomes froids (1990) L’horloge la plus précise au monde (SYRTE) 1s tous les 20 millions d’années!! Limite : accélération de la pesanteur Projet d’Horloge Atomique par refroidissement d’Atomes en Orbite + ACES Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,.. Chronométrage des pulsars millisecondes: génération d’ondes gravitationnelles Dérive dans le temps de la constante de structure fine Déterminations de la constante de structure fine a Codata = Committee on DATA for science and technology e2 a RK=h/e2=m0c/2a 4p 0c quantum Hall effect Solid state physics G’ p,h-90 hfs muonium QED ae = f (a/p) h/m a2 2 R A r X h c A r ( e ) m X 137.035 990 g – 2 of the electron (UW) g – 2 of the electron (Harvard) mv=h/l h / m(neutron) h / m(Cs) vr=ħk/m h / m(Rb) a-1 137.036 000 CODATA 2002 P. Mohr and B. Taylor, RMP, 77 (2005) G. Gabrielse et al, PRL, 97, 030802, 2006 137.036 010 Mesure de la vitesse de recul : difficultés h vr mλ Difficultés vr (Rb) ≈ 6 mm/S Emission spontanée Transition Raman séléctive en vitesse k1 M k2 e n1 a n2 b Absorption + émission stimulée L’atome gagne 2 fois la vitesse de recul Transition sélective en vitesse Principe de l’expérience sélection (Transition Raman) mesure (Transition Raman) N 2ħk Accélération cohérente 5P3/2 87Rb 5S1/2 F=1 F=2 Incertitude finale F=1 F=1 F=2 svr = sv / (2N) Accélération cohérente dans un réseau optique k1 M k2 Etot U0/2 2ħk Transfert de ~ 2000 x vr Determination de a à 6,7 x 10-9 p Caractère ondulatoire de la matière Temp. l Vitesse hl de Broglie thermique M.V(microns) M : la masse de la particule 300 K 300 m/s 1 x 10-5 V : Vitesse de la particule 300 µK 30 m/s 0,01 300 1 cm/s 1 h :nK constante de Planck Interférométrie atomique M k1 k2 |b, v +2vr > c |a, v > p/2 p/2 P(b) p/2 p/2 1 1 cos δLT 2( N 1)keff vRT keff gT 2 2 8 Mesure de h/MCs → Mesure de g → a a [7 x 10-9] [3 x 10-9] b Expérience de H. Cavendish 1798 δG 10 4 G (Balance de torsion) • Navigation inertielle d’engins civils et militaires • Détection de bunker.. • Meilleurs connaissances des structures géologiques (pétrole, diamants..) • Fluctuations des niveaux des océans, climat, calotte glacière Comment observer le condensat de Bose ? Imagerie d’absorption In-situ distribution spatiale dans le piège magnétique Par temps de vol distribution de vitesse Vérification du principe d’équivalence Masse « Grave » ≈ Masse « Inerte » 10-12 Théorie des cordes ? Projet Hyper (Hyper-Precision Atom Interferometry In Space ) Condensation de Bose-Einstein Prix Nobel 2001 F=1m=1 F=1m=0 N T h nRF N/100 T/1000 F = 1 m = -1 n lDB3 est multiplié par 107 Condensation de Bose Einstein Longueur d’onde thermique de Broglie lDB 3 n 2p 2 / mk BT d T = ambiante Particules quasiponctuelles d = f (n) d T ~ 1 mK d≈ Transition de phase à n3 = 2.612 Limite refroidissement dissipatif n lDB3 = 10 -6 T < Tc Une fraction macroscopique des atomes passe dans le même état fondamental Condensation de BoseEinstein Statistique de Bose-Einstein Prédiction en 1924... A. Einstein Réalisation en 1995 S. Bose Boson : particule de spin entier (photon, gluon…) Prix Nobel 2001 Refroidissement évaporatif (pas de force de friction: non dissipatif) W m B ( mCollision est le spin de l’atome) élastique W B x thermalisation gélas / ginelas> 150 Signature de la condensation de Bose-Einstein Quelques millions d’atomes dans un piège magnétique anisotrope 0.5 à 1 mK Temps de vol 100 mm * 5mm Gaz de Boltzmann Condensat 1 1 2 mV i kT 2 2 1 1 mV i2 w 2 4 Sans interaction 1000 atomes de Rubidium dans l’état fondamental du Piège magnétique Comment mesurer la température ? C.Salomon, J. Dalibard, W. Phillips, A. Clairon, S. Guellati, Europhys. Lett. 12, 683 (1990) Source cohérente d’atomes interférométrie atomique Projet d’Horloge Atomique par refroidissement d’Atomes en Orbite + ACES Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,.. Dérive dans le temps de la constante de structure fine Chronométrage des pulsars millisecondes: génération d’ondes gravitationnelles Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale Accélération cohérente : approche des oscillations Blcoh M. Ben Dahan et al , Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 4508. Etot U0/2 2ħk ~ 2000 x vr p a à 6,7 x 10-9 Expérience de Stanford T p/2 |b > |b, v = 3 vr > |a > p/2 |a, v= 4 vr > p |a, v =0 > p T p/2 p/2 1 1 P(b) cos δLT 2( N 1)keff vRT keff gT 2 2 8 Mesure de h/MCs → Mesure de g → a [7 x 10-9] [3 x 10-9] Nouvelle détermination de a ~ 450 oscillations de Bloch Efficacité de transfert >99.95% Cladé et al, PRL, 96 (2006) 033001 72 valeurs -1 1 point = 4 spectres (20 mn) Incertitude statistique sur a de 4.4£10-9 10-7 Accélération cohérente des atomes : approche simple Succession de transitions Raman stimulées (même niveau hyperfin) M k1 n1 k2 F=1 Energy 2vr hn 2 hn1 n1 n 2 t 10 k v r 6 k v r 2 k v r Impulsion 2 k 0 n2 2 k 4 k 6 k 2 vr par cycle Incertitude sur a = 6.7 10-9
