Interactions atome–cavité et mélasse grise dans un résonateur en noeud papillon

Atom–cavity interactions and gray molasses in a bow–tie resonator

• Auteur / Autrice : Hodei Eneriz
• Direction : Philippe Bouyer, Andréa Bertoldi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 17/01/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Fabio Pistolesi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bouyer, Andréa Bertoldi, Fabio Pistolesi, Radu Chicireanu, Mathilde Hugbart, Laurence Pruvost
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Radu Chicireanu, Mathilde Hugbart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Condensation de Bose-Einstein

Raman, Effet

Atomes froids

Mots clés libres

Atomes froids en cavité optique

Piège dipolaire à résonance lointaine

Refroidissement par mélasses grises

Etats sombres

Transitions de Raman

Cold atoms in optical cavities

Far off–resonant dipole trap

Gray molasses cooling

Dark states

Raman transitions

Résumé

Cette thèse s’intéresse à l’étude des interactions entre les atomes froids et la lumière laser à l’intérieur d’une cavité en noeud papillon. Des atomes ultrafroids de 87Rb sont chargées au centre de la cavité en forme de croix à 1560 nm, où un piège dipolaire à hors résonance lointaine (FORT) est créé. Le refroidissement d’un gaz atomique à des températures ultrafroides nécessite un processus en plusieurs étapes : piège magneto–optique (MOT); refroidissement sub—Doppler ;chargement dans un piège magnétique ou optique conservateur ; et souvent le refroidissement par évaporation. Les schémas de refroidissement sub–Doppler impliquant des états sombres sont devenus une technique puissante : ils sont connus sous le nom de mélasse grise.Dans ce contexte, nous montrons que le refroidissement avec états sombres dans une condition Raman hyperfine à deux photons peut être utilisé en combinaison avec un FORT lorsque de forts décalages de lumière différentiels sont présents. De plus, nous utilisons cette technique pour refroidir l’ensemble atomique dans le FORT en désaccordant davantage les faisceaux Raman vers le rouge.Dans une autre série d’expériences, nous exploitons le caractère doublement résonant de la cavité, à la fois à 1560 et 780 nm, pour explorer l’interaction entre les atomes et la cavité.Dans l’expérience, l’injection continue de lumière laser à 780 nm a été possible grâce à des améliorations sur le verrouillage en fréquence du laser 1560 nm sur la cavité, où les atomes ultrafroids chargés dans le FORT peuvent interagir de façon collective avec la lumière à 780nm.En utilisant des techniques à deux photons similaires à celles démontrées dans le scénario de la mélasse grise, nous injectons des impulsions Raman dans la cavité et observons des processus d’échange de photons inter–bras dans cavité induits par les atomes que nous caractérisons en analysant les distributions de quantité de mouvement produits sur les nuages atomiques ultrafroids.

This thesis investigates the interactions between cold atoms and laser light inside a bow–tie cavity. Ultracold 87Rb atoms are charged at the center of the cross–shaped cavity at 1560 nm, where a far off–resonant dipole trap (FORT) is created.Cooling of an atomic gas to ultracold temperatures requires a multistage process: laser cooling in a magneto–optical trap (MOT); sub–Doppler cooling; loading into a conservative magnetic or optical trap; and often evaporative cooling. Sub–Doppler cooling schemes involving dark states have emerged as a powerful technique: they are known as gray molasses.In this context, we show that dark state cooling in a hyperfine two–photon Raman condition can be used in combination with FORT when strong differential light shifts are present. Additionally, we utilize this technique to cool the atomic ensemble in the FORT by further detuning the Raman beams to the red. In another set of experiments, we exploit the doubly resonant character of the cavity, both at 1560 and 780 nm, to explore the interaction between the atoms and the cavity. Experimentally, continuous 780 nm laser light injection has been obtained by improving the 1560 nm frequency lock to the cavity, where ultracold atoms loaded into the FORT can collectively interact with the 780 nm light.By using similar two–photon techniques to the ones demonstrated in the gray molasses scenario, we inject Raman pulses into the cavity and observe atom–induced cavity inter–arm photon exchange processes which we characterize by analyzing the produced momentum distributions on the ultracold atomic clouds.