Conception et réalisation d’une expérience de condensat de Bose-Einstein de 41K basée sur des sources laser télécom

Design and realization of a 41K Bose-Einstein condensate experiment based on telecom laser sources

• Auteur / Autrice : Charbel Cherfan
• Direction : Radu Chicireanu, Pascal Szriftgiser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM)
• Jury : Président / Présidente : Céline Toubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Clément, Arnaud Landragin, Olivier Gorceix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andréa Bertoldi, Yannick Bidel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomes froids

Lasers à fibre

Potassium

Condensation de Bose-Einstein

Mots clés libres

Rotateur frappé

Piège magnéto-optique

Interactions

Bose-Einstein condensate

Telecom domain

Potassium

Kicked Rotor

Résumé

Cette thèse présente la réalisation d’un système expérimental basé sur la technologiedes amplificateurs télécom fibrés, pour la production des condensats de Bose-Einsteinde 41K. Le but de la construction de cette expérience est d’étudier le modèle de rotateurfrappé en présence des interactions dans le système. Le choix de l’isotope 41K a étéréalisé pour deux raisons principales. Premièrement, c’est le seul isotope bosonique dupotassium qui a une longueur de diffusion positive (ce qui facilite la condensation), et ilpossède des résonances de Feshbach accessibles. Deuxièmement, les longueurs d’ondedes transitions de refroidissement (766,701 et 770,108 nm) peuvent être générées pardoublement de fréquence à partir des sources lasers fibrés puissantes, dans le domainetélécom. Cela donne la possibilité de réaliser des systèmes laser robustes, stables, et àdes coûts intéressants, pour le refroidissement et piégeage du potassium.L’originalité de notre système laser pour le refroidissement est que nous générons toutesles fréquences utiles, en amont des étapes d’amplification à haute-puissance et doublement de fréquences. Nous avons également développé une technique d’asservissement en fréquence et démontré son applicabilité dans le domaine d’atomes froids, basé aussi sur la technologie télécom, en utilisant des transitions ro-vibrationnelles de la molécule d’acétylène. Pour l’étape de refroidissement évaporatif, dans un piège dipolaire optique, nous avons construit un système laser télécom original basé sur un contrôle en puissance qui ne nécessite aucun élément actif (modulateurs électro- ou acousto-optique) en espace libre.En parallèle du développement des sources laser, nous avons également développé l’ensemble de l’expérience de condensat (système à ultra-vide, pièges magnétiques, systèmes électroniques, etc). Cela nous a permis d’implémenter toutes les étapes nécessaires d’une expérience de condensation. Grâce à ces systèmes lasers, nous avons chargé un piège magnéto-optique avec 3 x 10^(9) atomes. Ensuite, nous avons effectué une compression du nuage et une mélasse grise en utilisant la raie D1 pour atteindre une température de 16 µK et une densité dans l’espace des phases de ~ 10^(-6). Ensuite, nous avons chargé les atomes dans un piège hybride (piège magnétique + optique), et enfin vers un piège optique croisé. Nous avons observé un condensat de 200 000 atomes dans ce piège, qui nous permettra d’effectuer par la suite des expériences sur l’étude du rotateur frappé quantique en présence d’interactions contrôlables.

This thesis presents the development of an experimental system based on telecom fiberamplifier technology for the production of 41K Bose-Einstein condensates. The long-termscientific goal of this experiment is to study the Kicked Rotor model in the presenceof tunable interactions. The choice of the 41K isotope was made for two main reasons.First, it is the only bosonic isotope of potassium that has a positive scattering length(which facilitates condensation), and it has accessible Feshbach resonances. Secondly,the wavelengths of the cooling transitions (766.701 and 770.108 nm) can be generatedby frequency doubling from powerful fiber laser sources in the telecom domain. Thisgives the possibility to realize robust, stable and cost effective laser systems for coolingand trapping of potassium.The originality of our laser cooling system is that we generate all the useful frequencies,before the power amplification and frequency doubling steps. We have also developeda frequency stabilization technique and demonstrated its applicability in the coldatom domain, also based on telecom technology, using ro-vibrational transitions of theacetylene molecule. Finally, for the evaporative cooling, in an optical dipole trap, wehave built an original telecom laser system based on power control that does not requireany active element (electro- or acousto-optic modulators) in free space.In parallel with the development of the telecom laser sources, we also developed therest of the experimental system (ultra-high vacuum system, magnetic traps, electronicsystems, etc). This allowed us to implement all the necessary steps towards the Bose-Einstein condensation. Thanks to our laser systems, we magneto-optically trap 3 x 10^(9) atoms. Then, we performed cloud compression and gray molasses stages, using the D1 line, to reach temperatures of 16 µK and phase space densities of ~ 10^(-6). Next, we loaded the atoms into a hybrid trap (magnetic + optical trap), and finally into a crossed optical trap. We observed a condensate of 200 000 atoms in this trap, which will allow us to perform later experiments on the Kicked Rotor model in the presence of controllable interactions.