INSTITUT D`OPTIQUE GRADUATE SCHOOL Gaz

INSTITUT D’OPTIQUE GRADUATE SCHOOL
ÉCOLE DOCTORALE ONDES ET MATIÈRE
DISCIPLINE Physique
THÈSE
pour l’obtention du grade de Docteur en science de l’Institut d’Optique
Graduate School
préparée au Laboratoire Charles Fabry
soutenue le 30/09/2015
par
Lauriane FOUCHÉ
Gaz quantiques de potassium 39
à interactions contrôlables
Directeur de thèse : Thomas Bourdel – LCF
Composition du jury :
Président du jury : Laurence Pruvost – LAC
Rapporteurs : Guillaume Labeyrie – INLN
Bruno Laburthe-Tolra – LPL
Examinateurs : Antoine Browaeys – LCF
Radu Chicireanu – PhLAM

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Table des matières
1 Un refroidissement dissipatif efficace pour le chargement d’un piège
conservatif 9
1.1 Montageexpérimental ............................. 9
1.1.1 Systèmelaser .............................. 9
1.1.2 Système expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Collection d’un maximum d’atomes : pièges magnéto-optiques . . . . . . . 15
1.2.1 MOT 2D................................. 15
1.2.2 MOT 3D................................. 17
1.3 Echantillon dense : CMOT hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.1 Principe du fonctionnement d’un CMOT usuel . . . . . . . . . . . . 21
1.3.2 Optimisation expérimentale du CMOT hybride . . . . . . . . . . . 21
1.3.3 Interprétation.............................. 22
1.4 Echantillon froid : mélasses grises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.1 Principe des mélasses grises : modèle simple à trois niveaux . . . . . 27
1.4.2 Résultats expérimentaux : refroidissement alliant effet Sisyphe ... . . 29
1.4.3 ... et piégeage de population sélectif en vitesse. . . . . . . . . . . . . 31
1.4.4 Influence d’autres paramètres sur les mélasses grises . . . . . . . . . 34
1.4.5 Paramètres optimaux pour les mélasses grises . . . . . . . . . . . . 36
1.5 Chargement direct d’un piège optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.5.1 Mise en place expérimentale du piège optique . . . . . . . . . . . . 38
1.5.2 Séquence expérimentale pour le chargement direct dans les mélasses 38
1.5.3 Maximisation du nombre d’atomes chargés . . . . . . . . . . . . . . 39
1.5.4 Paramètres optimaux : vers la condensation par évaporation tout
optique.................................. 40
2 Vers la condensation tout optique du 39K 41
2.1 Propriétés de collisions du 39K......................... 42
2.1.1 Description des interactions entre atomes à basse température . . . 42
2.1.2 Minimum de Ramsauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2 Résonances de Feshbach : principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.1 Quelques éléments de théorie pour comprendre la physique mise en
jeu.................................... 46
2.2.2 Intérêt et utilisation du 39K pour le contrôle des interactions . . . . 47
2.3 Polarisation en spin du nuage dans le piège optique . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.1 Pompage optique en fin de mélasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.2 Stratégie de tri dans le piège optique . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.3 Discussion : autres stratégies envisagées ? . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4 Évaporation dans un piège croisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Table des matières
2.4.1 Mise en place du FORT 2....................... 53
2.4.2 Evaporation au voisinage d’une résonance de Feshbach : protocole
expérimental .............................. 54
2.4.3 Caractérisation de l’évaporation tout optique . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.4 Analyse des images : gaz thermique VS condensat . . . . . . . . . . 57
2.4.5 Evolution du système dans l’espace {n, λdB}............. 57
2.5 Température critique et calibration du nombre d’atomes . . . . . . . . . . 59
2.5.1 Cas d’un gaz parfait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5.2 Gazeninteractions........................... 60
2.5.3 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6 Améliorations du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.6.1 MOT 2D................................. 62
2.6.2 Nouvelle ligne D1............................ 63
2.6.3 Proposition d’un nouveau design de table optique . . . . . . . . . . 63
2.6.4 Optimisation de la méthode de tri dans le piège optique . . . . . . . 64
2.6.5 Quel gain pour notre expérience ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 Observation expérimentale de nouvelles résonances de Feshbach pour le
39K 67
3.1 Résonances en onde ppour des mélanges de spins . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.1 Retour sur le tri : mélanges de spins . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.2 Comparaison aux simulations numériques . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2 Étude d’une résonance en onde d....................... 73
3.2.1 Protocole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2 Pertesàtroiscorps........................... 73
3.2.3 Modèle général : un processus en deux étapes . . . . . . . . . . . . 79
3.2.4 Résonance fine : conséquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.5 Quels processus de collision en jeu ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.6 Quid d’un modèle en une étape avec collision directe à 3corps ? . . 84
4 Gaz quantique à interactions contrôlables 87
4.1 Approche de Gross-Pitaevskii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.1 Modèleutilisé.............................. 88
4.1.2 Fonctionnelle d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.3 Equation de Gross-Pitaeskii tridimensionnelle . . . . . . . . . . . . 88
4.1.4 Limite unidimensionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2 Interactions répulsives : expansion d’un condensat dans le crossover dimen-
sionnel 1D-3D.................................. 90
4.2.1 Situation expérimentale : condensat dans un piège allongé . . . . . 90
4.2.2 Évolution dans le crossover dimensionnel : modèle théorique . . . . 91
4.2.3 Expansion du condensat et calibration du nombre d’atomes . . . . . 93
4.3 Interactions attractives : formation de solitons brillants . . . . . . . . . . . 95
4.3.1 Problème considéré et contraintes expérimentales associées . . . . . 95
4.3.2 Mise en place expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.3 Formation de solitons brillants à vitesse contrôlable . . . . . . . . . 108
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Remerciements
J’ai effectué les trois années de thèse dont résultent les travaux présentés dans ce
manuscrit au sein du Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique. Je tiens ainsi
à remercier en premier lieu Pierre Chavel et Patrick Georges qui m’ont successivement
réservé un très bon accueil en tant que directeurs du laboratoire. Mes remerciements vont
également à la DGA et au CNRS qui ont financé mes travaux.
J’ai eu la chance de travailler au sein du groupe d’Optique Atomique. Merci à Alain de
m’y avoir accueillie. Sa faculté à toujours donner une image simple de problèmes souvent
très compliqués rend l’étude de la physique à son contact passionnante. Je le remercie
également pour ses précieux conseils concernant l’après thèse.
Je tiens à présent à remercier les membres de mon jury de thèse pour l’attention avec
laquelle ils ont lu mon manuscrit, pour leurs remarques et questions pertinentes ainsi que
pour les discussions intéressantes qui ont précédé et suivi ma soutenance de thèse. Merci
à Bruno Laburthe-Tolra et Guillaume Labeyrie d’avoir accepté le rôle de rapporteurs et
merci à Laurence Pruvost et Radu Chicireanu d’avoir examiné mes travaux avec tant
d’intérêt. Un remerciement tout particulier à Antoine Browaeys qui a accepté avec en-
thousiasme, malgré ma demande tardive, de faire partie de mon jury de thèse.
Mes remerciements vont également à Thomas Bourdel, mon directeur de thèse, pour
m’avoir accueillie dans son équipe de recherche et pour m’avoir encadrée au cours de ces
trois dernières années. J’ai beaucoup appris à son contact, notamment à tester de façon
plus ou moins conventionnelle la stabilité mécanique de divers éléments de l’expérience.
Je le remercie pour sa confiance et la grande autonomie qu’il m’a laissé.
Je tiens également à remercier de tout coeur les « Krubbards » successifs avec lesquels
j’ai eu le plaisir de travailler. Baptiste Allard et Thomas Plisson se sont chargés de mon
apprentissage à l’époque où l’expérience contenait encore du rubidium. Merci à Thomas
P. pour sa patience et sa gentillesse. Merci également à Baptiste pour sa bonne humeur,
son humour et tous ses précieux conseils, notamment en matière de soudure et d’électro-
nique. Ça y est, ta dernière « padawan » est elle aussi diplômée. Au cours de deux de mes
trois ans de thèse j’ai eu la chance de travailler avec Guillaume Salomon, également doc-
torant à ce moment là. C’est avec lui que j’ai appris à maîtriser l’expérience et à devenir
peu à peu autonome. J’ai beaucoup apprécié tous les bons et moins bons moments que
nous avons partagé, qu’il s’agisse de la casse d’un certain nombre de lasers (nous sommes
probablement maudits) ou de l’obtention de notre premier condensat de potassium. Sa
persévérance, sa motivation et ses grandes qualités de chercheur ont été, à mon sens, des
ingrédients essentiels de notre réussite. Plus récemment, l’équipe a été rejointe par Ste-
ven, mon post-doc préféré. Je le remercie pour sa pédagogie et sa patience (en particulier
lorsqu’il s’agit d’essayer de me faire comprendre dans quel sens visser ou dévisser quelque
chose), et même pour sa fameuse « maniaquerie » (à petite dose !) qui nous ont permis
d’avancer une fois le condensat obtenu. Lui aussi va bientôt quitter l’expérience et je lui
souhaite beaucoup de réussite pour la suite de son parcours. Enfin, nous avons été rejoints