Etude des interactions induites par la lumière dans un gaz d'atomes froids

par Ludovic Brossard

Projet de thèse en Physique quantique

Sous la direction de Yvan Sortais et de Antoine Browaeys.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) et de Institut d'optique Graduate School (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Notre équipe étudie le comportement collectif d'un gaz d'atomes en présence d'interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d'onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l'effet du champ laser, et les dipôles induits interagissent entre eux via le champ qu'ils rayonnent. Cette interaction est d'autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considérablement le comportement radiatif de l'ensemble atomique, voire empêcher l'excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, pour deux atomes situés à une distance inférieure à la longueur d'onde divisée par deux pi, elle déplace les niveaux d'énergie de plus que la largeur naturelle de la transition atomique, de sorte que le laser ne peut plus exciter qu'un seul des deux atomes. Un autre exemple est celui d'un nuage d'atomes dense, qui peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d'un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l'excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d'autres sont au contraire sub-radiants. Afin d'étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm^3. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l'ordre de 100 nm, est proche de lambda sur deux pi. Enfin, l'élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l'observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons récemment observé que les interactions induisent une réduction importante de la lumière diffusée par le nuage. Cette réduction s'accompagne d'un élargissement de la transition atomique. L'analyse théorique des modes collectifs du nuage nous a montré que cette réduction est liée à l'excitation de modes super-radiants délocalisés sur l'ensemble du nuage.

  • Titre traduit

    Study of light-induced interactions in a gas of cold atoms


  • Résumé

    Our team studies the collective behaviour of an atomic gas in the presence of dipole-dipole interactions. These interactions appear when the atoms are illuminated by a laser of wavelength lambda that is nearly resonant with an atomic transition : the atoms are polarized by the laser field, and the induced dipoles interact with each other through the field they radiate. This interaction becomes stronger when the atoms are closer to each other, and can considerably perturb the radiative behaviour of the atomic ensemble, or even prevent the simultaneous excitation of several atoms. For instance, for two atoms separated by a distance less than lambda over 2 pi, the interaction shifts the energy levels more than the natural line width of the atomic transition, so that the laser can excite only one of these two atoms. Another example is that of a dense atomic cloud, which can behave like an optical cavity without any mirrors : the laser can excite certain radiation modes, each with its own frequency and life time, which are different from those of an individual atom. Some of these collective modes are super-radiant (the atomic cloud re-emits the stored excitation faster than an individual atom), others are sub-radiant. In order to study these phenomena, our team has built an experiment that allows the trapping of 1 up to ~500 cold rubidium atoms in a laser trap of ~1µm^3 in size. We excite the atoms close to the transition at 780nm. The size of the atomic cloud, on the order of 100 nm, is close to lambda over 2 pi. Also, the Doppler broadening of the atomic transition is negligible (cold atoms). The situation is therefore nearly ideal for the observation of the collective radiation modes. We have recently observed that the interactions induce a significant reduction of the light scattered by the atomic cloud. This reduction is accompanied by a broadening of the atomic transition. The theoretical analysis of the collective modes of the atomic cloud indicates that such a reduction is related to the excitation of the super-radiant modes that are delocalized in the entire cloud. This PhD project is dedicated to study the response of the cold atomic cloud in the temporal domain, which yields information on the life time of the excited modes. We will compare this response with that of an individual atom, which is already measured by our team. For instance, the emission of light several life times after extinction of the excitation would be the very first observation of sub-radiance in an interacting cold atomic ensemble.