Refroidissement laser de l'ytterbium sur la ligne d'intercombinaison pour des expériences sur la localisation de la lumière

Laser cooling of Yb on the intercombination line for experiments on localization of light

• Auteur / Autrice : Álvaro Mitchell Galvão de Melo
• Direction : Robin Kaiser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/07/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Mortessagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robin Kaiser, Fabrice Mortessagne, Lauriane Chomaz, Leonardo Fallani, Claus Zimmermann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lauriane Chomaz, Leonardo Fallani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anderson, Modèle d'

Spectroscopie moléculaire

Stabilité de fréquence

Refroidissement laser

Atomes froids

Ytterbium

Mots clés libres

Atomes froids

Stabilisation de fréquence laser

Spectroscopie moléculaire

Localisation d'Anderson

Cold atoms

Laser frequency stabilization

Molecular spectroscopy

Anderson localization

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions un piège magnéto-optique (MOT) d'atomes d'ytterbium (Yb) qui a été construit pour réaliser des expériences visant l'observation de la localisation de la lumière en trois dimensions (3D). La localisation d'Anderson, c'est-à-dire l'absence de diffusion due au désordre, était considéré comme un phénomène omniprésent, mais récemment son existence dans le cas des ondes lumineuses est remise en question. L'observation expérimentale de la localisation de la lumière en 3D a été intensément recherchée depuis les années 80 et récemment les atomes froids sont apparus comme des échantillons prometteurs pour l'étudier. Les atomes d'ytterbium sont bons candidats pour l'observation des effets de localisation en raison de leur état fondamental non dégénérés pour les isotopes bosoniques et la largeur de raie de la transition d'intercombinaison ¹S₀ − ³P₁ (182 kHz) qui est un bon compromis entre un élargissement Doppler négligeable et la possibilité de recourir à des techniques de détection résolues dans le temps. Nous présentons une configuration expérimentale relativement compacte qui permet de charger jusqu'à 1 × 10⁹ atomes dans un MOT fonctionnant sur la transition ¹ S₀ − ¹ P₁ sans utilisation d'un ralentisseur Zeeman. En particulier, le système laser qui fournit 2,5 W à 399 nm est discuté, car des puissances élevées sont nécessaires en raison de la forte intensité de saturation de la transition. Une explication détaillée du système pour transférer jusqu'à 2 × 10⁸ atomes du MOT chargé sur la transition ¹ S₀ − ¹ P₁ vers la transition ¹S₀ − ³P₁ est fournie, et une attention particulière est porté à la configuration utilisée pour la stabilisation de la fréquence laser. Nous employons la spectroscopie de transfert de modulation et détection équilibrée, nous permettant d'utiliser comme référence de fréquence une transition de l'iode moléculaire (¹²⁷I₂) relativement faible mais proche de la transition d'intercombinaison de l'ytterbium. Nous proposons une caractérisation de la stabilité de la fréquence du laser, ainsi que de la raie du ¹²⁷I₂. Un nuage atomique dense et froid est obtenu, et peut être utilisé pour réaliser des expériences sur les effets collectifs dans des atomes froids. Des idées pour l'optimisation de la configuration actuelle en vue de l'observation de la localisation de la lumière sont discutés. Enfin, des calculs du coefficient de diffusion dépendant de la position basés sur le la théorie auto-cohérente de la localisation sont détaillés pour les systèmes 2D. Nous comparons les résultats obtenus pour différentes tailles et désordres de systèmes. Ces calculs seront utilisés pour étudier les signatures de localisation de la lumière en 2D, mais ils ouvrent également la voie vers leur extension aux trois dimensions qui pourraient être utilisées pour interpréter les expériences futures.

In this thesis, we study a magneto-optical trap (MOT) of ytterbium (Yb) atoms built to perform experiments aiming at observing the localization of light in three dimensions (3D). Anderson localization, i.e. the absence of diffusion due to disorder, was believed to be an ubiquitous wave phenomenon; however, recently, its mere existence for light waves is being questioned. The experimental observation of 3D localization of light has been intensively sought since the 1980s, and recently, cold atoms have emerged as promising samples to investigate it. Yb atoms are good candidates for the observation of localization effects due to the non-degenerate ground state for the bosonic isotopes and the linewidth of the ¹S₀ − ³P₁ intercombination line (182 kHz), which is a good compromise between having negligible Doppler broadening and the possibility of performing time-resolved detection techniques. We present a relatively compact experimental setup used to load up to 1 × 10⁹ atoms in a MOT operating in the ¹ S₀ − ¹ P₁ transition without the use of a Zeeman slower. Particularly, the laser system that provides 2.5 W at 399 nm is discussed since high powers are needed due to the high saturation intensity of the transition. A detailed explanation of the system used to transfer up to 2 × 10⁸ atoms from the MOT loaded in the ¹ S₀ − ¹ P₁ transition to the ¹S₀ − ³P₁ transition is provided, with special attention to the setup used for laser frequency stabilization. We employ modulation transfer spectroscopy and balanced detection, enabling us to utilize a relatively weak yet convenient transition of molecular Iodine (¹²⁷I₂) as a frequency reference. We provide a characterization of the laser frequency stability, as well as of the ¹²⁷I₂ line itself. A dense atomic cloud is obtained, which can be used to perform experiments on collective effects in cold atomic samples. Ideas for the optimization of the current setup in view of the observation of localization of light are discussed. Finally, calculations of the position-dependent diffusion coefficient based on the self-consistent theory of localization are detailed for 2D systems. We compare the results obtained for different system sizes and disorder. These calculations will be used to study signatures of light localization in 2D, but they also pave the way for their extension into three dimensions, which could be used to interpret future exper- iments performed in the setup.