Élaboration d’un nano capteur chimique : Étape de fabrication d’électrodes à gap nanométrique
Gabriel DUTIER Cavité nanométrique de vapeur de Césium : spectroscopie à haute résolution et...
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Gabriel DUTIER
Cavité nanométrique de vapeur de Césium : spectroscopie à haute
résolution et interaction de surface de type van der Waals
Université Paris 13Villetaneuse
Laboratoire de Physiquedes Lasers
Institut Galilée
I. HamdiA. Yarovitski (Lebedev Physical Institute,
Moscow)S. Saltiel (University of Sofia, Bulgaria)M. FichetM-P. GorzaD. BlochM. Ducloy
Laboratoire de Physique des Lasers
Equipe OCR :
INTRODUCTIONObjectif et finalité : OCR dans FASTnet, étude des effets liés au confinement d’un système atomique proche d’une paroi physique.Problématiques :• QED en cavité, modification d’état atomique• Spectroscopie, propriété de vapeur à l’interface d’une fenêtre
Résultats antérieurs :• Potentiel répulsif (réflexion sélective)• Cellule mince (10 à 100 microns) : trop large
Projet en début de thèse : Sonder très proche des surfaces (5 nm) : croisement de niveaux
En cours de thèse : Utilisation des nouvelles cellules ultra minces (nanométriques)
PLAN DE L’EXPOSÉ
1. Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces
2. Spectroscopie en Cellule Ultra Mince
3. Interaction Atome-Surface : 1. - van der Waals attractif2. - van der Waals résonnant3. - Croisement de niveaux
4. Conclusion et perspectives
LES CELLULES MINCES (jusqu’à 100 µm)
Sélection de vitesse :
L/v >> : Régime permanent
L/v : Régime transitoire
-1γ-1γ
Spectre sub-DopplerFaisceaux à incidence normale
- Vapeur diluée : vol de paroi à paroi
- Désexcitation optique par collision sur les parois
faisceaulumineux
Absorption d’une vapeur atomique en Cellule Mince :
Absorption Usuelle en Cellule Macroscopique Terme de phase
Λteg e1
Λ
1z/vtσ
kvδiγΛ avec eg
Atome à 2 niveaux :
Absorption :
Sub-Doppler pour :
µm6~kuγ
2/L
eg
: Rétrécissement Dicke cohérent2
L
L
eg 0 0
ΔIα W v dv σ t z/v dz
I
ΛL
v20
ΔI L vα W v (1 e ) dv
I Λ Λ
La Réflexion Sélective (cellules en volume)
Fenêtre Vapeur
Réflexion Sélective Transmission
0 0 )2exp()( dzikzzPRS
• P0(z) : Réponse atomique en régime transitoire (z=vzt)
• Le signal de réflexion sélectif est dispersif
• FM = d(RS)/d : sélection de vitesses lentes
• exp(2ikz) : épaisseur sondée ~/4
(à incidence normale)
Méthode d’investigation de l’interaction de vW
Absorption d’une vapeur atomique en Cellule Ultra Mince (<1 µm) :
Réflexion Sélective +
Réflexion 2ème fenêtre+ ...
Fabry-Perot :
Transmission+
Réflexion 1ère fenêtre+ ...
F
rIIS bf
trans
F
)2ikLexprI(IikLexpkLsinS fb
reflexion
1n
1nr
22 2ikLexpr1F zdzP2iε
kI
L
0of
zexp(2ikz)dzP2iε
kI
L
0ob
n1 r r n1
: Absorption
: Dispersion
CELLULE ULTRA MINCE (<1 µm)
• Fenêtres : - YAG ou Saphir
- Très bien polies
• Cellule sous vide : La pression atmosphérique déforme le volume interne localement
• Vapeur de Césium à l’intérieur.
MESURE D’ÉPAISSEUR
Interface
Cellule Ultra Mince
f = 10 cm
1ère fenêtre
faisceau sonde
• Cellule Ultra Mince = Fabry-Perot
• Intensité réfléchie à l’interface = f(d, )
0 213 426 639 852 1065 1278
Epaisseur (nm)
852 nm
MESURE D’ÉPAISSEUR
Précision ~ 10 nmEpaisseur entre les fenêtres : 30 à 1300 nm
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
2.4
2.8
0 200 400 600 800 1000 1200
Réflexion interface / Réflexion 1ère fenêtre
Epaisseur (nm)
633 nm
852 nm
1300 nm
YAG
Mesure du coefficient de réflexion 633 nm 894 nm 1300 nm
PLAN DE L’EXPOSÉ
1. Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces
2. Spectroscopie en Cellule Ultra Mince
3. Interaction Atome-Surface : 1. - van der Waals attractif2. - van der Waals résonnant3. - Croisement de niveaux
4. Conclusion et perspectives
Transition D1 du Cs à 894 nm :
Le montage expérimental :
•Diamètre du faisceau focalisé = 100 µm
•P = 100 nW
6S1/2
6P1/2
9 GHz
1.2 GHz
F=3
F=4
F=3
F=4
PD2PD1
Cellule Ultra Mince
f = 10 cm
f = 10 cm
Spectro Linéaire
EXPERIENCE
1150 nm
890 nm
450 nm
100 MHz
Résultats expérimentaux : rétrécissement Dicke cohérent
Transmission FMCs(D1) Transmission Directe
/2
~3/2(x0.8)
(x1)
(x0.9)
1235 nm
890 nm
447 nm
100 MHz
Résultats expérimentaux :Cs(D1) Transmission Directe
(x0.8)
(x1.7)
(x1)
(x1)
(x1.4)
(x1.8)
(x0.9)
(x7.6)
(x1.8)
(a)
1235 nm
1110 nm
1005 nm
890 nm
780 nm
670 nm
447 nm
335 nm
220 nm
100 MHz
(x6.7)
(x2.4)
(x1.3)
(x2.6)
(x1.6)
(x1)
(x1.4)
(x1.7)
(x1)
(b)
11/8
5/4
9/8
7/8
3/4
/2
3/8
/4
100 MHz
Expérience :
Théorie :
670 nm
447 nm
335 nm
220 nm
100 MHz
/4
3/4
/2
3/8
100 MHz
Résultats en réflexion:
Expérience :
Théorie :
PLAN DE L’EXPOSÉ
1. Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces
2. Spectroscopie en Cellule Ultra Mince
3. Interaction Atome-Surface : 1. - van der Waals attractif2. - van der Waals résonnant3. - Croisement de niveaux
4. Conclusion et perspectives
Interaction Atome-Surface
•Van der Waals augmente pour les états excités :
Rydberg (Haroche et Hinds, YALE)
j
i iDjz
vW2
312
1
••videfenêtre
z
•Modèle des Images Electriques :
D : Opérateur dipolaire
3
22
)2(2
1
z
iDDivW
z
i
Plusieurs potentiels vW théoriques entre deux fenêtres
• Echelle Log
• 70% épaisseur utilisée
-0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,31,2
1,0
0,8
0,6
0,4
x = /d
Dép
lace
men
t (M
Hz)
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,010000
1000
100
10
1
0,1
Dép
lace
men
t (M
Hz)
x = /d
YAG D1 CsL = 2d = 200 nm
Images multiples 2 fenêtres 1 fenêtre
F=4F=3
1 GHz
225 (5)nm
53 (3)nm
90 (5)nm
Déplacement rouge
><
> <
Transmission FM, Cs(D1), fenêtres en YAG
1 seule surface :
C3=2 kHz.m3
A 100 nm :déplacement=2MHz
33
z
CvW
Déplacement rouge : 10 MHzLargeur : 70 MHz
Déplacement rouge : 90 MHzElargissement : 170 MHz
Déplacement rouge : 200 MHzElargissement : 600 MHz
Réflexion FM, Cs(D1), fenêtre en YAG
-800 -400 0 400 800 1200 1600 2000-800 -400 0 400 800
EXPERIENCE
Déplacement, MHz
60 nm
80 nm
90 nm
130 nm
53 nm
Déplacement, MHz
F = 4F = 3
THEORIE
Couplage Résonnant (dispersif) entreCs (6D3/2) et la Surface de Saphir
Couplage en EMISSION(uniquement pour niveaux excités)
Emission atomique virtuelle couplée avec l’absorption virtuelle d’un polariton de la surface diélectrique
Surfacede saphir
21m12 m
Césium
876 nm
12.15 m
6 P1/2
1/2
894 nm
15.57 m 6 D3/2
7 P1/2
7 P3/2
6 S
Le niveau Cs(6D3/2)-saphir : diélectrique dispersif
u
uiu
iuiDj
zvW
ij
ij
ij
ij
ij
ji d
1)(
1)(2)(
1)(
1)(
12
122
2
3
Cs (6D3/2)-saphir :Potentiel Répulsif
Le niveau Cs(6D3/2)-saphir : diélectrique dispersif
1 seule surface :
Niveau Résonnant : C3 = -160 kHz. m3 (valeur expérimentale)Déplacement = -160 MHz à 100nm
33
z
CvW
En transmission :• excitation à deux photons
- co(-contra)propageant
- configuration à 60°(à Brewster)
Dans les deux cas : - effets Stark dynamique non maîtrisés- petites épaisseurs non atteintes
• excitation par étapes 6S1/2-6P1/2 (894 nm) + 6P1/2-6D3/2 (876 nm)
Peuplement du niveau 6P1/2 aux faibles épaisseurs ?
Le niveau 6D3/2 en Cellule Ultra Mince : fenêtres en saphir
6S-6P 6P-6D
ktotalk6S-6P
k6P-6D
1 GHz
220 nm
SA
160 nm
140 nm
• Excitation par étapes du niveau 6D3/2 • Sonde sur 6P-6D (876 nm) - Elargissement
- Asymétrie
- Déplacement Bleu
Transmission directe en Cellule Ultra Mince : fenêtres en saphir
« Croisement de niveaux » :
z ~ 5 nm
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
1.3 THz
Cs(6D3/2
)
Cs(6D5/2
)
-160 kHz.m3 / z3
+10 kHz.m3 / z3
Dé
pla
ce
me
nt
de
s n
ive
au
x
(T
Hz)
Distance à la fenêtre en saphir (nm)
THz24500 25000 25500 26000
-0.1
-0.05
0.05
0.1
Coef. d’image diélec (MHz.µm3)
••
Evolution du couplage résonnant entre le niveau 6D3/2 et la surfacede saphir avec la distance :
5 nm
50 < d < 500 nm
5 nm
« Croisement de niveaux » :
z ~ 5 nm
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
0
1
2
Cs(6D3/2
)
Cs(6D5/2
)
-160 kHz.m3 / z3
+10 kHz.m3 / z3
Dépla
cem
ent
des n
iveaux
(TH
z)
Distance à la fenêtre en saphir (nm)
?~1-50 GHz
Croisement évité entre les 2 potentiels : états liés
Le laser 917-921 nmLe laser 917-921 nm Laser à 920 nm avec une cavité étendue
en configuration Littman.
Balayable sur 6 nm (1.7 THz)
entre 916 nm et 922 nm.
Résolution spectrale du système de 0.3 GHz (-mètre).
Spectroscopie dans les ailes de raies :
sensibilité jusqu’à 10-5-10-6 de l’absorption
Césium
917 nm
6 P 3/2
6 S 1/2
852 nm
6 D 5/2
6 D 3/2
921 nm
917 918 919 920 921 9220,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
6P3/2
- 6D3/2
6P3/2
- 6D5/2
Tra
nsm
issio
n r
ela
tive
Longueur d'onde, nm
917 918 919 920 921 922
0
1x10-4
2x10-4
3x10-4
4x10-4
5x10-4
6x10-4
7x10-4
Tra
nsm
issio
n r
ela
tive
Longueur d'onde, nm
• Transmission à d = /2 = 458 nm
• T=250°C
PLAN DE L’EXPOSÉ
1. Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces
2. Spectroscopie en Cellule Ultra Mince
3. Interaction Atome-Surface : 1. - van der Waals attractif2. - van der Waals résonnant3. - Croisement de niveaux
4. Conclusion et perspectives
Conclusion
1. Epaisseur sondée et mesurée à 10 nm près
2. La réponse optique en Cellule Ultra Mince est un mélange absorption-dispersion
3. Interaction Atome-Surface : - van der Waals attractif : observation et modélisation
- van der Waals résonnant : en cours...
- Croisement de niveaux : pas d’effet à mieux que 10-5-10-6
917,0 917,5 918,0
0,00000
0,00002
0,00004
0,00006
0,00008- 11 GHz
T = 308/330d = 32 nmP
852 = 2.6 mW
abs pompe (852) = 5%
Ab
so
rptio
n
nm
• Résolution Spatiale du van der Waals
Transmission en Cellule Ultra Mince à d = 32 nm
PERSPECTIVES :
multiplesimageszdz
vW
33 )(
11
PERSPECTIVES (suite) :
• 2 fenêtres : images multiples
d
fenêtre fenêtre
Grandes différences pour le 6D3/2 (interférences)
• Piège à atomes entre deux potentiels répulsifs en Cellule Ultra Mince :
- Deux potentiels van der Waals répulsifs- Deux Ondes Évanescentes
PERSPECTIVES (suite) :
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0
X=/L
PERSPECTIVES (suite) :
• Interaction van der Waals atome-atome en cavité : Transmission en milieu dense > 1014 at/cm3
Observation de différences entre les 4 transitions hyperfines de Cs(D1) avec la pression
Épaisseur sub-longeur d’onde : d<ij
+ ...