Etude expérimentale de la transmission de la lumière à travers un plan d'atomes froids

par Antoine Glicenstein

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 École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , Optique quantique (equipe de recherche) et de Institut d'optique théorique et appliquée (Orsay, Essonne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Lorsque de la lumière (longueur d'onde λ) diffuse sur un ensemble atomique (densité n), elle polarise les atomes et les dipôles ainsi induits peuvent interagir entre eux. Si le milieu est dense (n λ^3 ~ 1) et que la fréquence de la lumière est proche de celle d'une résonance atomique, l'interaction entre les dipôles devient très grande et modifie considérablement la manière dont l'échantillon atomique rayonne. Nous avons déjà mesuré l'influence des interactions entre dipôles induits sur la réponse d'un échantillon dense d'atomes froids piégés dans une pince optique [Pellegrino, PRL (2014) ; Jennewein, PRL (2016)]. Nos mesures ont permis de montrer que le problème de la diffusion de la lumière par des milieux denses est plus subtil que ne le laissaient penser les théories existantes, en particulier lorsque les atomes sont ultra-froids. Il a depuis été suggéré que des plans d'atomes froids dans lesquels les atomes sont rangés en géométries structurées peuvent agir comme des miroirs parfaits lorsque les dipôles atomiques induits par la lumière interagissent entre eux : dit autrement, un plan d'atomes froids en interaction a une transmission nulle… [Bettles, PRL(2016), Shahmoon PRL(2017)]. Un tel dispositif pourrait avoir des applications en optique quantique en fournissant un milieu interagissant très fortement avec la lumière. Nous proposons de réaliser un tel plan d'atomes froids sur une de nos expériences et d'étudier ses propriétés de réflexion en fonction de la structure géométrique de l'arrangement spatial des atomes. Au cours de la thèse, nous préparerons un plan d'atomes froids répartis aléatoirement à l'aide d'une nappe de lumière. Nous mesurerons la transmission d'une sonde quasi-résonante et comparerons à des modèles théoriques que nous avons validés grâce à nos expériences récentes. La thèse sera essentiellement expérimentale, utilisant un dispositif d'atomes froids existant.

  • Titre traduit

    Experimental study of the transmission of light through a slab of cold atoms


  • Résumé

    When light (wavelength λ) diffuses off an ensemble of atoms (medium with density n), it polarizes the atoms, and the induced dipole moments can interact with each other. If the medium is dense (n λ^3 ~ 1) and the frequency of the light is close to an atomic resonance, the interaction between the induced dipoles becomes significant and modifies considerably the radiative behavior of the atomic sample. We have already measured the influence of interactions between induced dipoles in the radiative response of a dense cold-atom sample trapped in an optical tweezer [Pellegrino, PRL (2014) ; Jennewein, PRL (2016)]. Our measurements have demonstrated that the problem of diffusion of light in dense media is far more subtle than existing theories, especially when the atoms are ultra-cold. Since then, there have been suggestions that the geometry of planes of cold atoms can act as perfect mirrors when incident light induce dipoles that interact with each other, that is to say, these planes of atoms can have a zero transmission to incident light [Bettles, PRL(2016), Shahmoon PRL(2017)]. Such a setup can have interesting applications in quantum optics by providing a medium that interact strongly with light. We propose to realize planes of cold atoms in one of our experiments and to study their properties of reflection as a function of the geometry of the spacial arrangement of the atoms. During the thesis, we will prepare a plane of cold atoms distributed randomly in a ligth sheet. We will measure the transmission of a quasi-resonant probe light and compare with theory models which have been validated thanks to our recent experiments. The thesis will be essentially experimental, using an existing cold-atom experimental setup.