Probing caesium Rydberg atoms close to a sapphire surface

Sonder des atomes de césium, excités à un état de Rydberg, prés d'une surface de saphir

• Auteur / Autrice : Biplab Dutta
• Direction : Athanasios Laliotis, Isabelle Maurin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Lorent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Loew, Stefan Scheel, Franck Pereira Dos Santos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Goldfarb, Robert Loew

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectres atomiques

États de Rydberg

Forces de Van der Waals

Force de Casimir-Polder

Mots clés libres

Interaction Casimir-Polder

Atome de Rydberg

Coefficient de Van der Waals

Casimir-Polder Interaction

Rydberg Atom

Van der Waals Coefficient

Résumé

L’interaction Casimir-Polder entre un atome et une surface macroscopique est une prédiction fondamentale de l’électrodynamique quantique, importante pour les mesures de précision, les technologies quantiques et notre compréhension des propriétés électromagnétiques des matériaux. En champ proche, les interactions Casimir-Polder sont décrites comme l’interaction du dipôle atomique fluctuant avec son image induite par la surface, qui évolue comme -C3/z3, où z est la distance atome-surface et C3 le coefficient de van der Waals. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement et expérimentalement l’interaction Casimir-Polder entre un atome de césium fortement excité (atome de Rydberg) et une surface diélectrique. Notre théorie étend les études précédentes pour inclure des termes d’ordre supérieur dans l’interaction atome-surface, au-delà du terme d’interaction dipôle-dipôle étudié dans le travail de Casimir et Polder. En particulier, nous incluons des termes d’interaction quadrupole-quadrupole et dipôle-octupole avec une dépendance en distance de -C5/z5. Nous fournissions également des calculs explicites des coefficients C5 pour la plupart des atomes alcalins courants. Nous décrivons également une nouvelle expérience de réflexion sélective sondant des atomes de Rydberg de Cs (15-17D3/2 et 16-17S1/2) à des distances nanométriques d’une surface de saphir. L’expérience est réalisée dans une cellule à vapeur entièrement en saphir en utilisant une spectroscopie d’excitation par étapes qui comprend une étape de pompage à 6S1/2?6P1/2 (894nm) et une étape de sondage par réflexion sélective à 6P1/2?nS1/2 , nD3/2 avec n=15-17 (~510nm). Afin d’analyser nos spectres expérimentaux, nous étendons la théorie de la réflexion sélective au-delà de l’approximation Doppler infinie, en incluant dans notre analyse la distribution Maxwell-Boltzmann des vitesses atomiques. L’ajustement de nos spectres expérimentaux avec nos modèles théoriques nous permet d’extraire le coefficient de van der Waals C3 pour les états excités du césium sondés. Les résultats expérimentaux dépassent nos prédictions théoriques (d’un facteur d’environ 1,5 à 2, selon l’état sondé). Enfin, nous décrivons une nouvelle expérience en cellule mince qui vise à éclaircir le désaccord signalé entre la théorie et l’expérience pour le coefficient C3 et à fournir une première mesure expérimentale du coefficient C5 (étude expérimentale des interactions d’ordre supérieur).

The Casimir-Polder interaction between atoms and macroscopic surfaces is a fundamental prediction of quantum electrodynamics of importance for precision measurements, quantum technologies and our understanding of the electromagnetic properties of materials. In the near field, Casimir-Polder interactions are described as the interaction of the fluctuating atomic dipole with its surface induced image, which evolves as -C3/z3 where z is the atom-surface distance and C3 is the van der Waals coefficient. In this thesis, we study both theoretically and experimentally the Casimir-Polder interaction between a highly excited cesium atom (Rydberg atom) and a dielectric surface. Our theory extends previous studies to[3]include higher-order terms in the atom-surface interaction, beyond the dipole-dipole interaction term investigated in the seminal work of Casimir and Polder. In particular, we include quadrupole-quadrupole and dipole-octupole interaction terms with a distance dependence of ?C5/z5 giving explicit calculations of the C5 coefficients for most common alkali atoms. We also describe a new selective reflection experiment probing Cs Rydberg atoms (15-17D3/2 and 16-17S1/2) at nanometric distances away from a sapphire surface. The experiment is performed in an all-sapphire vapour cell using stepwise excitation spectroscopy that includes a pumping step at 6S1/2?6P1/2 (894nm) and a selective reflection probing step at 6P1/2?nS1/2 , nD3/2 with n=15-17 (~510nm). In order to analyze our experimental spectra, we extend selective reflection theory beyond the infinite Doppler approximation, including in our analysis the Maxwell-Boltzmann distribution of atomic velocities. Fitting our experimental spectra with our theoretical models allows us to extract the C3 van der Waals coefficient for the probed cesium excited states. The experimental results exceed our theoretical predictions (by a factor of about 1.5-2, depending on the probed state). Finally, we describe a new thin-cell experiment that aims to illuminate the reported disagreement between theory and experiment for the C3 coefficient and provide a first experimental measurement of the C5 coefficient (experimental study of higher-order interactions).