Conception et construction d'une expérience d'atomes froids : vers un condensat de sodium sur puce

Dedsign and construction of a cold atoms experiment : towards sodium condensates on a chip

• Auteur / Autrice : Dany Ben Ali
• Direction : Hélène Perrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/05/2016
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Sorbonne Paris Nord (Bobigny, Villetaneuse, Seine-Saint-Denis ; 1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Du Burck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Perrin, Frédéric Du Burck, Thierry Lahaye, Pascal Szriftgiser, Saïda Guellati-Khelifa, Aurélien Perrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Lahaye, Pascal Szriftgiser

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zeeman, Effet

Atomes froids

Sodium

Condensation de Bose-Einstein

Mots clés libres

Puce à atomes

Ralentisseur Zeeman

Transport magnétique

Bose-Einstein condensation

Atomchip

Zeeman slower

Molecular dynamics

Résumé

Dans cette thèse, nous décrivons les premières étapes de la construction d’une expérience de condensation d’atomes de sodium. À terme, le dispositif intégrera une puce à atomes qui permettra d’étudier la dynamique hors équilibre de gaz quantiques de dimensionnalité réduite, ainsi que leur dynamique de relaxation. Le montage expérimental est constitué d’un système laser stabilisé en fréquence sur une raie de l’iode, ainsi que d’une enceinte à ultra-vide. Cette dernière comporte un four produisant un jet atomique effusif qui est décéléré dans un ralentisseur Zeeman à aimants permanents.Nous obtenons alors un flux de 2 x 108 atomes/s, ce qui nous permet de charger près de 109 atomes dans un piège magnéto-optique. Durant la caractérisation du ralentisseur Zeeman, nous avons mis en évidence un mécanisme de redistribution des populations atomiques vers l’état F = 1 en amont du ralentisseur, induit par l’interaction avec le faisceau Zeeman. Après avoir confirmé ces observations par une résolution numérique des équations de Bloch optiques, nous avons mis en place un faisceau laser avec deux composantes de fréquence permettant de préparer initialement les atomes dans le sous-niveau F = 2;mF = - 2 pour les préserver de cet effet. Enfin, nous avons conçu un dispositif de transport magnétique permettant d’acheminer les atomes depuis l’enceinte du piège magnéto-optique vers l’enceinte du condensat. Des simulations de dynamique moléculaire nous ont permis de déterminer une séquence temporelle pour le déplacement du nuage performante, autorisant un transport de 65 cm en 1 s.Mots clés : sodium, condensation de Bose-Einstein, puce à atomes, ralentisseur Zeeman, aimants permanents, transport magnétique, dynamique moléculaire.

In this thesis, we describe the early stages in setting up a new experiment which aims at producing sodium Bose-Einstein condensates. The final apparatus will integrate an atomchip, enabling us to study the non-equilibrium dynamics of low-dimensional quantum gases, as well as their relaxation dynamics. The experimental setup comprises a laser system locked to an iodine rovibronic transition, and an ultra-high vacuum chamber. The latter consists of an oven producing an effusive atomic beam, which is decelerated in a Zeeman slower made with permanent magnets.We thus obtain a flux of 2 x 108 atoms/s, allowing the efficient loading of a magneto-optical trap containing up to 109 atoms. During the slower optimization, we observed a redistribution of the atomic populations from the F = 2 state to the F = 1 state before the entrance of the Zeeman slower. This depumping mechanism, induced by the interaction of the atoms with the slowing beam, has been confirmed by the numerical resolution of the optical Bloch equations describing the system. To circumvent this effect, we now prepare the atoms before the entrance of the slower in the  F = 2 mF = - 2  magnetic substate with a two-frequency light beam. Finally, we designed a magnetic transport system to transfer the atoms from the magnetooptical trap chamber to the condensate chamber. Based on the results of molecular dynamics simulations, we found a performing temporal sequence to move the magnetic trap, and we intend to efficiently transport the atoms over 65 cm in about 1 s.