Développement d'un piège atomique lumineux et magnétique : étude du régime de collisions : perspectives pour la condensation de Bose-Einstein du césium

Development of an optical and magnetic atomic trap : study of the collision dynamics : perspectives for Bose-Einstein condensation of cesium atoms

• Auteur / Autrice : Nathalie Hoang
• Direction : Pierre Pillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Atomes froids

Piège magnétique et dipolaire

Simulation de refroidissement évaporatif

Collisions froides

Résonance de Feshbach

Résumé

Ce travail de thèse s'inscrit dans un effort de recherche entrepris depuis 1996 pour atteindre la condensation de Bose-Einstein (CBE) de l'atome de césium. Les expériences réalisées en 1996 en piège magnétique échouèrent à cause du taux de collisions inélastiques anormalement élevé pour cet atome. La solution consiste à piéger les atomes dans leur état fondamental. Ceci peut être réalisé dans un piège optique ou un piège mixte, magnétique et optique. Récemment, l'équipe de R. Grimm est parvenue à la CBE du césium grâce au piégeage optique. La solution proposée dans ce manuscrit combine un piégeage magnétique vertical, et un piégeage optique transverse réalisé par un faisceau Nd :YAG. La mise en place du piège mixte a été achevée, et certaines de ses caractéristiques ont été dégagées. Ainsi la durée de vie de 4 s représente la limitation actuelle du piège et est discutée à partir de diverses hypothèses. Le régime collisionnel est aussi analysé à partir d'une étude des oscillations de la taille du nuage en fonction du champ magnétique. Le taux de collisions élastiques des atomes au sein du piège apparaît faible, du fait d'une densité insuffisante. Parallèlement, des calculs numériques en lien avec la compréhension de l'expérience ont été menés. Ce travail théorique comporte deux volets. Le premier concerne la modélisation du refroidissement évaporatif unidimensionnel dans notre dispositif, par une simulation Monte- Carlo. Les résultats de cette simulation permettent d'envisager une stratégie vers la condensation. Le second volet repose sur l'application d'une méthode asymptotique pour traiter les collisions entre atomes dans l'état fondamental f=3, mf=3, en présence d'un champ magnétique. Cette étude motivée par l'existence d'une résonance de Feshbach pour cet état a permis l'interprétation d'une expérience de photoassociation dans laquelle le contrôle de la longueur de diffusion par modification du champ magnétique a été mis en évidence.

This thesis work is part of a research effort made since 1996 in the field of the Bose-Einstein condensation (BEC) of cesium atoms. The first attempts carried out in 1996 using magnetic trapping and rf evaporative cooling failed because of the unusually high inelastic collision rates encountered by this atom. The solution consists in trapping the atoms in the lowest energy state. This can be performed in an optical trap or in a hybrid trap, both magnetic and optical. Recently R. Grimm's group demonstrated cesium BEC with an optical trap. The solution discussed in this work combines a vertical magnetic trap and a transversal optical trap created by a laser beam Nd: YAG. The experimental apparatus has been completed, and the hybrid trap has been partly characterized. The 4 s lifetime is the current limitation of the trap and is discussed on the basis of some assumptions. The collisionnal dynamics are analysed from the atomic cloud oscillations while varying the magnetic field. Actually, the elastic collision rate of the atoms inside the trap is low, because of a low density. In the same time, numerical calculations have been performed. This theoretical work has two parts. The first one consists in a Monte-Carlo simulation of one dimension evaporative cooling in our set-up. These results figure out the direction we should follow towards BEC. The second part relies on the application of an asymptotic method for studying collisions in a magnetic field between two atoms in their ground state f=3, mf=3. This study motivated by the existence of a Feshbach resonance for this state allows the interpretation of a photoassociation experiment. In this experiment, the tunability of the scattering length with respect of the magnetic field has been observed.