Condensat de Bose-Einstein de sodium dans un piège mésoscopique

par Emmanuel Mimoun

Thèse de doctorat en Physique quantique

Sous la direction de Jean Dalibard.

Soutenue en 2010

à Paris 6 .

mots clés

• Condensation de Bose-Einstein
• Systèmes mésoscopiques
• Atomes froids

Résumé

Dans ce mémoire, nous présentons les fondements, la construction et les premiers résultats d'une nouvelle expérience qui a débuté avec ce travail de thèse. Nous démontrons la production d'un condensat de Bose-Einstein de sodium confiné dans un piège optique fortement focalisé. Nous exposons des résultats originaux sur l'état fondamental et les excitations d'un condensat dans un piège gaussien avec un unique état lié, et nous montrons comment tirer parti des interactions entre états de spin pour la génération d'états quantiques fortement corrélés. L'optimisation de l'efficacité de la somme de fréquence en cavité doublement résonnante est ensuite étudiée et mise à profit pour la réalisation d'un laser solide pour le refroidissement du sodium. A partir de deux sources laser infrarouges commerciales, jusqu'à 800 mW de lumière à 589 nm sont produits, avec une efficacité de conversion quasi-totale. Ce laser est employé pour former un piège magnéto-optique, chargé grâce à la désorption atomique induite par la lumière. Après le chargement, la pression dans l'enceinte à vide redescend à sa valeur de base en moins de 100 ms. L'optimisation du transfert des atomes dans un piège dipolaire croisé est présentée. La conception et l'utilisation d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique sont exposées, permettant la réalisation d'un piège dipolaire fortement focalisé, dans lequel le condensat se forme après une phase de refroidissement par évaporation. Celle-ci est caractérisée et comparée à un modèle numérique.

Titre traduit

Bose-Einstein condensate of sodium in a mesoscopic trap

Résumé

In this Thesis, we report on the theoretical background as well as the building and the first results of a novel experiment which was started along with this work. We demonstrate the production of a Bose-Einstein condensate of sodium confined in a tightly focused optical trap. We present original results on the ground state and the excitations of a condensate confined in a gaussian trap with a single bound state, and show how to use interactions between spin states to form highly correlated quantum states. We detail the optimization of the conversion efficiency of a sum frequency generation process in a doubly resonant optical cavity. This leads to the building of a solid-state laser for the cooling of sodium. Out of two commercially available infrared lasers, we produce up to 800 mW at 589 nm, with near-unit conversion efficiency. This yellow laser is used to form a magneto-optical trap (MOT) of sodium. It is loaded efficiently using light-induced atomic desorption, while the background pressure in the vacuum chamber drops back down in less than 100 ms afterwards. The transfer of the atoms from the MOT to a crossed dipole trap is studied and optimized. The conception and use of a high numerical aperture microscope objective is detailed, allowing for the formation of a tightly focused dipole trap, in which the condensate is obtained after an evaporative cooling phase. This phase is characterized and compared to a numerical simulation