Compte Rendu Puces à atomes en environnement cryogénique

Fruleux Antoine
Jobez Pierre
Compte Rendu
Puces à atomes en environnement cryogénique
Dans le cadre du séminaire de la FIP, Gilles Nogues est venu nous présenter les travaux de
son équipe de recherche sur les puces à atomes cryogéniques. Nous allons donc restituer le
contenu de cette conférence.
Nous aborderons d’abord le sujet de manière générale en exposant le principe des puces à
atomes, puis nous expliquerons pourquoi réaliser des puces à atomes supraconductrice.
Ensuite nous nous intéresserons à l’expérience de Paris.
I. DES PUCES A ATOMES
1. Principe et essor de l’optique atomique (un peu d’histoire)
En 1924, de Broglie postule la dualité onde-corpuscule, dès lors, la perception par les
physiciens de la matière va changer : la matière peut désormais être vue comme une onde,
elle peut interférer... c’est ainsi qu’en 1949 Ramsey crée un interféromètre atomique. C’est
le début de l’optique atomique.
Dans les années 1970, des progrès très importants dans le domaine du refroidissement de
la matière par laser ont été accomplis.
Ces progrès ont permis dans les années 90 les premières observations et les premiers
travaux sur le condensat de Bose-Einstein.
2. Principe des puces à atomes
2.1. Pourquoi des puces à atomes
Il s’agit en fait de concentrer un nombre important d’atomes dans une région de l’espace
suffisamment petite pour qu’il y ait condensation. On utilise pour ce faire un piège
magnétique qui permet, grâce à un « puits » de champ magnétique de piéger les atomes.
Il apparait que les puces à atomes sont bien plus performantes qu’un piège classique
puisqu’elles divisent par un facteur 100 la distance caractéristique de piégeage, et que, qui
plus est, elle divise l’intensité nécessaire par un facteur 100, alors que le temps de
condensation est divisé par 10.
2.2. Comment piéger les atomes
En raison de l’effet Zeeman, un « puits de champ
», correspond à un puits d’énergie.
On sait que la norme du champ magnétique créé par un fil électrique évolue en 1/r, en
plongeant ce fil dans un champ magnétique uniforme compris dans le plan de symétrie du
système on crée donc un piège optique en deux dimensions. On peut en modifiant la norme
du champ uniforme modifier la distance par rapport au fil, et en modifiant son orientation,
on peut modifier la « position angulaire ».
On a dB/dr= 10^3 Gauss/cm=10^(-1) T/Cm.
Pour avoir un piège en 3 dimensions, on ajoute 2 fils perpendiculairement au premier.
3. Charger le piège
Pour charger le piège précédent, on utilise un piège magnéto-optique, il est constitué de 6
faisceaux laser orientés dans les 6 directions de l’espace, affin d’avoir un « mélange
isotrope » au niveau du point de rencontre de tous ces faisceaux. Leur rôle est de créer une
force de frottement fluide (grâce à la pression radiative...). Le champ B, lui, crée une force de
rappel élastique. On arrive donc à diminuer l’agitation et à concentrer les atomes dans une
région relativement petite de l’espace ce qui permet en suite de charger le piège.
Dans les faits on n’utilise que 4 lasers, et un miroir.
4. Temps de vie du condensat
On constate une décroissance exponentielle du temps de vie en fonction de la distance du
piège par rapport à la surface de la puce. Ce fait peut avoir plusieurs explications : il peut
résulter du mouvement brownien des électrons (création de champs induit) dans les
matériaux, ce qui crée des fluctuations importantes. Il peut provenir de fluctuations au
niveau des atomes, de la transition vers un état non piégeant.
Cependant, une analyse des pertes dues au bruit dans le supraconducteur prévoit une
forte augmentation de la durée de vie avec la diminution du rapport T/Tc.
5. Un terrain de jeu formidable
On peut imaginer divers types de puces à atomes : notamment, on peut effectuer des
couplages à des structures mésoscopiques, à des cavités optiques, ou à des microstructures
supraconductrices. On peut prendre pour exemple l’interaction avec un SQUID.
Le SQUID est une boucle supraconductrice dans laquelle subsistent plusieurs
superpositions d’états pour la circulation du courant. Ce qui permet d’obtenir plusieurs
pièges, et donc permet d’avoir une délocalisation du condensat sur les deux pièges.
II. L’expérience de Paris
1. La puce
La puce se constitue d’un support (wafer) de surface 65mm*30mm recouverte d’une
couche de Nb de 1 m dont la température critique est assez élevée (on a vu précédemment
que ce paramètre est important pour le temps de vie des atomes). D’un fil en U d ‘épaisseur
300ࣆm, et d’un fil en Z d’épaisseur 40ࣆm, ainsi que d’une surface supraconductrice. Ces
couches sont recouvertes d’un miroir (couche d’or). Les contacts sont supraconducteurs afin
d’éviter tout échauffement par effet Joule.
2. L’environnement expérimental
On dispose des paires de bobines dans les 3 directions de l’espace. On prend toutes les
dispositions nécessaires pour limiter l’apport de chaleur (on limite les courants de Foucault).
Grace à une bobine quadripolaire située derrière la puce ainsi qu’à des lasers on va pouvoir
piéger les atomes qui arriveront par le bas (piège d’extension spatiale élevée, on en a vu le
principe précédemment).
Le tout est mis dans un cryostat.
3. Observation
En mesurant l’absorption d’un faisceau résonant avec une transition atomique, on peut
connaitre la densité de particules (et en intégrant, leur nombre). En observant la distance du
piège à son image par le miroir, on peut connaitre la distance par rapport à la surface. La
mesure de la distribution permet d’obtenir la température (loi gaussienne en exp(-Δe/kT) ?).
4. Refroidissement évaporatif
Il s’agit de faire basculer les atomes piégés les plus énergétiques vers un état non piégeant.
Il y a en effet un décalage de la fréquence de transition causé par la différence d’énergie
potentielle. Les atomes les plus énergétiques ont accès aux régions de forte énergie
potentielle, ils basculent donc vers un état non piégeant sous l’effet d’une excitation à la
bonne fréquence.
5. Temps de vie selon l’approche
On constate que si l’on approche de la plaque en restant éloigné du fil conducteur, la durée
de vie augmente. Ce qui confirme l’influence du bruit dans le supraconducteur sur la durée
de vie. Un autre facteur limitant entre alors en compte : le bruit dans la couche d’or.
Nous avons donc pu apprécier le fonctionnement des puces à atomes cryogéniques et le
potentiel de tels systèmes pour une meilleure perception de la physique quantique et de ses
ambiguïtés.