Interaction entre des impulsions électromagnétiques quantifiées et des systèmes atomiques : effets transitoires

par Simon Derouault

Thèse de doctorat en Physique de la matière

Sous la direction de Aziz Bouchene.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Cette thèse présente l'étude des phénomènes transitoires lors de l'interaction d'un atome à deux niveaux avec des impulsions quantifiées. Dans une première partie nous rappelons les bases théoriques sur lesquelles s'appuie ce manuscrit. Dans un traitement semi-classique du problème, où le champ n'est pas traité quantiquement, nous montrons qu'il est possible de réaliser des transitions non-adiabatiques à l'aide d'impulsions lumineuses non-résonantes en régime de couplage fort. Nous introduisons ensuite le modèle de Jaynes-Cummings qui permet de traiter l'ensemble du système quantiquement, pour un champ mono-mode. Dans une seconde partie, nous étudions la situation d'un atome à deux niveaux traversant un micro-maser mono-mode. Dans ce cas, ce n'est pas le champs qui est transitoire mais le terme de couplage avec l'atome. La modulation du profil du champ contenu dans la cavité permet de réaliser des transitions non-adiabatiques. Le système se propage alors, à l'intérieur de la cavité, dans une superposition d'états adiabatiques. L'état final en sortie de la cavité peut être compris à l'aide d'un schéma d'interférence de type Ramsay. Lorsque l'énergie incidente de l'atome est du même ordre du grandeur que l'énergie d'interaction, le déplacement du centre de masse doit être quantifié afin de prendre correctement en compte les couplages opto-mécaniques. Nous développons pour cela une approche temporelle, en définissant plusieurs temps, associés aux différents états adiabatiques. Nous étudions dans les parties suivantes les configurations où un ou deux atomes sont confinés dans un guide d'onde à une dimension. Cette configuration permet d'obtenir un régime de couplage fort, même pour un paquet d'onde à un seul photon. Dans le cas où il n'y a qu'un seul atome nous démontrons un théorème contraignant l'aire de l'impulsion transmise. En effet, pour un régime de couplage arbitraire, l'aire de l'impulsion transmise est systématiquement nulle. La contrepartie dans le domaine spectral est que la fréquence centrale de l'impulsion, résonante avec la transition atomique, est totalement réfléchie. Dans le cas où deux atomes sont présents dans le guide d'onde, nous explorons les processus d'échanges de photons entre ces atomes. Afin de traiter correctement l'influence des photons virtuels, nous montrons que l'approximation de l'onde tournante ne doit pas être faite. La dynamique des champs rayonnés est alors comprise en la reliant aux états retardés de Dicke. L'échange de photons virtuels conduit à une modification des niveaux de ces états et à une modification significative des spectres rayonnés. L'influence de ces photons virtuels peut être modulée, et même supprimée, en ajustant la distance inter-atomique. Nous montrons que le théorème contraignant l'aire de l'impulsion reste valable dans cette situation. Finalement nous traitons dans une dernière partie de l'interaction d'un atome à deux niveaux contenus dans un guide d'onde avec des champs non-classiques arbitraires. Pour cela, nous développons une nouvelle méthode en quantifiant le flux électromagnétique. Cette méthode à la particularité de définir de nouveaux états adiabatiques globaux, similaires à ceux utilisés dans les théories semi-classiques. Cette caractéristique permet de retrouver les résultats semi-classiques dans le cas où le champ est composé d'états cohérents à grand nombre de photons. Dans le cas général, la nouvelle structure des états adiabatiques est organisée en bandes d'états. Chaque bande du modèle quantique correspond à un état unique dans le modèle semi-classique. Nous faisons alors la distinction entre couplage intra- et inter-bandes.

  • Titre traduit

    INteraction between quantified electromagnetic pulses and atomic systems : transient effects


  • Résumé

    This thesis deals with the theoretical study of transient effects between two-level atoms and quantized pulses. First, we describe the theoretical bases used in the whole manuscript. In a semi-classical description of the problem, where the field is classical, we show that non-adiabatic transitions can be achieved with non-resonant pulses in a strong field regime. We then introduce the Jaynes-Cummings model which deals with full quantized version of the interaction between a single mode field and a two-level atom. Secondly, we study the case where an incident atom passes through a mono-mode micro-maser. In this situation, the field is not transient but the coupling term with the atom is. Non-adiabatic transitions can then be performed by modulating the mode shape. The system propagate, inside the cavity, in a superposition of adiabatic state. The final sate after leaving the cavity, can be understood as the result of Ramsey-like interferometer. When the incident kinetic energy is of the same magnitude than the interaction energy, the motion of the center-of-mass needs to be quantified to take into account the opto-mecanical coupling. We present a temporal interpretation, based on the definition of multiple times associated with each adiabatic state. In the next two parts, we consider the cases where one or two atoms are confined inside an one-dimensional wave-guide. This configuration allows to reach a strong coupling regime between the atom and the field, even when the field only contains a single photon. We demonstrate a theorem constraining the transmitted pulse area when only one atom is present. Indeed, for an arbitrary coupling regime, the transmitted pulse is distorted such as its algebraic area vanish. As a consequence the central frequency of the pulse, resonant with the atomic transition, is always reflected. When two atoms are present, we explore the photon exchange process between them. In order to properly handle the virtual photons influence, the usual rotating wave approximation is not made. The radiated field are then related to the timed Dicke states. The exchange of virtual photons shits this states and leads to a substantial alteration of the radiated spectra. This effected can be controlled or even suppressed by adjusting the inter-atomic separation. We demonstrate that the pulse area theorem is still valid in this case. Eventually, we develop a new method to deal with arbitrary non-classical pulses interacting with one atom in an one-dimensional wave-guide. This method is based on the quantization of the electromagnetic flux inside the guide. That allows us to define new global adiabatic states which can be related to the usual semi-classical ones. We illustrate that by recovering the semi-classical results using coherent fields with a large number of photon. The new adiabatic scheme is organized in adiabatic state bands. Each band corresponds to a single adiabatic state in a semi-classical model. We then distinguish intra- and inter-bande coupling.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2015 par [CCSD] [diffusion/distribution] à Villeurbanne

Interaction entre des impulsions électromagnétiques quantifiées et des systèmes atomiques : effets transitoires

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Informations

  • Détails : 1 vol. (138 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 133-138

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2014 TOU3 0301
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