Cours - PhLAM

Laser cooling and trapping of atomic gases
J. Dalibard
September 2004

Table des mati`eres
1 Les forces radiatives 5
1 L’interaction atome-lumi`ere : les param`etres fondamentaux . . . . . . . . . . . . 5
2 L’op´erateur force et sa valeur moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 La force agissant sur un atome au repos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Le refroidissement Doppler 17
1 LafrictionDoppler................................... 17
2 Ladiffusionenimpulsion ............................... 22
3 La limite du refroidissement Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Le refroidissement Sisyphe 27
1 Un mod`ele simple de refroidissement Sisyphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 Traitement quantitatif du refroidissement Sisyphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3´ Etudes exp´erimentales et num´eriques `a 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4 Verslesr´eseauxoptiques................................ 36
4 Le pi´egeage d’atomes par la lumi`ere 39
1 Le pi´egeage d’atomes neutres dans des champs statiques . . . . . . . . . . . . . . 39
2 Lepi`egemagn´eto-optique ............................... 40
3 Refroidissement sans force dissipative ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5 Le refroidissement par ´evaporation 49
1 Gaz dans un pi`ege harmonique : lois d’´echelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2 Mise en œuvre pratique de l’´evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3 Dynamique de l’´evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
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Introduction
Le refroidissement de gaz atomiques `a des temp´eratures inf´erieures au millikelvin est un
th`eme de recherche en plein essor depuis une quinzaine d’ann´ees. C’est ´egalement un outil tr`es
utilis´e pour de nombreuses exp´eriences de m´etrologie, d’optique et d’interf´erom´etrie atomiques,
ou de physique mol´eculaire.
A la base de ce d´eveloppement se trouve la possibilit´e de contrˆoler de mani`ere tr`es fine le
mouvement des atomes avec de la lumi`ere. Cette id´ee n’est a priori pas nouvelle. Kepler avait
pressenti l’existence de la force de pression de radiation, pour expliquer l’orientation de la queue
des com`etes par rapport au soleil (figure 1). Plus pr`es de nous, Einstein a fait jouer un rˆole
central aux ´echanges d’impulsion entre mati`ere et lumi`ere pour introduire les trois processus
fondamentaux1: absorption, ´emission stimul´ee, et ´emission spontan´ee. Encore plus r´ecemment
Alfred Kastler a introduit, avec son effet lumino-frigorique2, la possibilit´e qu’un champ lumineux
puisse abaisser la temp´erature d’une vapeur atomique.
Fig. 1: Deux manifestations de l’action m´ecanique de la lumi`ere sur des particules
mat´erielles – pour la com`ete, l’explication n’est que partielle. Photo de gauche : http ://ant-
wrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap000225.html ; Photo de droite : D. Boiron, A. Michaud, J. M. Fournier, L.
Simard, M. Sprenger, G. Grynberg, and C. Salomon, Phys. Rev. A 57, R4106 (1998).
Il a fallu n´eanmoins attendre l’av`enement des lasers accordables pour voir apparaˆıtre des
effets v´eritablement spectaculaires dans la manipulation d’atomes par de la lumi`ere. Ce cours
y sera consacr´e, avec la pr´esentation des principaux m´ecanismes de refroidissement, Doppler et
Sisyphe, ainsi que la description des moyens les plus performants pour pi´eger les particules re-
froidies (figure 1). Nous ´etudierons ´egalement une m´ethode compl´ementaire qui s’est r´ecemment
d´evelopp´ee pour abaisser la temp´erature d’une assembl´ee atomique. Il s’agit du refroidissement
par ´evaporation, qui au prix d’une perte cons´equente de particules, permet de traiter de tr`es
nombreuses esp`eces atomiques ou mol´eculaires, mˆeme si on ne dispose pas de sources lumineuses
pour les exciter de mani`ere r´esonnante.
1A. Einstein, Phys. Zeitschrift, vol XVIII, p. 121 (1917) ; on pourra consulter la traduction fran¸caise dans
Albert Einstein, 1 : Quanta, ´edit´e par F. Balibar, O. Darrigol, et B. Jech, (Seuil – CNRS, Paris).
2A. Kastler, J. Phys. Rad. 11, 255 (1950).

Chapitre 1
Les forces radiatives
Ce chapitre est consacr´e `a l’´etude de la force moyenne agissant sur un atome plac´e dans un
faisceau lumineux monochromatique et quasi-r´esonnant. L’atome est mod´elis´e par un syst`eme `a
deux niveaux et le mouvement du centre de masse de l’atome est trait´e classiquement. Nous allons
voir que la force radiative se relie simplement aux gradients de phase et d’intensit´e de l’onde
laser, correspondant respectivement `a la force de pression de radiation et `a la force dipolaire.
1 L’interaction atome-lumi`ere : les param`etres fondamentaux
1.1 L’atome `a deux niveaux
Nous mod´elisons dans ce chapitre la structure interne atomique par une transition `a deux
niveaux get e. Le niveau gest le niveau fondamental de l’atome, ou un niveau m´etastable de
dur´ee de vie bien plus grande que la dur´ee de l’exp´erience consid´er´ee. Le niveau excit´e eest
instable, et il peut se d´esexciter par ´emission spontan´ee vers le niveau g. La dur´ee de vie du
niveau eest not´ee Γ−1, et l’´ecart en ´energie entre get eest not´e ¯hωA(voir fig. 1).
e
g
hωLhωA
hΓ
Fig. 1: Mod´elisation de la transition atomique par deux niveaux get e.
L’atome est ´eclair´e par un faisceau lumineux suppos´e monochromatique de fr´equence ωL/2π.
Pour que la mod´elisation de la transition atomique par un syst`eme `a deux niveaux soit correcte,
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