Piégeage d’atomes Piégeage d’atomes au voisinage de au voisinage de

microcircuitsmicrocircuits

Piégeage d’atomes au voisinage de Piégeage d’atomes au voisinage de microcircuitsmicrocircuits

• Composants électroniques de quelques cm²+ circuits micrométriques « microgravés »

• Idée : piéger des atomes froids neutres grâce aux champs B créés par ces courants

• Historique

95 : proposé

99 : démonstrations expérimentales

02 : condensation de Bose-Einstein

Depuis : caractérisation et premières utilisations

• Sujet à la mode !

Références proposées

• J.Reichel et al. « Applications of integrated magnetic microtraps » Appl. Phys. B 72, 81-89 (2001)

• P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)

PLANPLAN

I / Présentation des « Atom I / Présentation des « Atom chips »chips »

II / Cohérence d’un atome piégéII / Cohérence d’un atome piégé

PLANPLAN

I / Présentation des « Atom I / Présentation des « Atom chips »chips »

II / Cohérence d’un atome piégéII / Cohérence d’un atome piégé

• Refroidissement Doppler

Absorption d’un photon = transfert d’impulsion lumière=>matière

Émission spontanée isotrope en moyenne

Généralisation 3D + effet Doppler

• Piège magnéto-optique

Levée de dégénérescence Zeeman dans un champ quadrupolaire : B=b’(x,y,-2z)

Polarisation des lasers : 3 paires de faisceaux contrapropageants de même hélicité

Force moyenne de frottement fluide

Piège magnéto-optiquePiège magnéto-optique

Force de rappel élastique : piégeage

|b’| grand = piège confinant

A partir de http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm

• Champ magnétique quadrupolaire

Piège magnéto-optique : transposition aux atom Piège magnéto-optique : transposition aux atom chipschips

Superposition

• du champ créé par un fil infini

• d’un champ homogène perpendiculaire au fil

=> Champ quadrupolaire 2D avec AXES à 45°

J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)

• z0 I |b’|(z0) I-1

• Effet de la largeur finie des fils

Champ quadrupolaire 2D avec AXES à 45°

Fil en U : piégeage également suivant x

=> champ quadrupolaire 3D (axes à 45°)

J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)

Piège magnéto-optique : transposition aux atom Piège magnéto-optique : transposition aux atom chipschips

• 6 faisceaux laser

D’après J.Schmiedmayer, www.atomchip.net

J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)

Piège magnéto optique miroir :

2 des 6 faisceaux sont générés par réflexion sur une couche d’or

• Polarisations

3 paires de faisceaux contrapropageants de même hélicité

• Limitations du piège magnéto-optique

But : augmenter

Densité dans l’espace réel n

Densité dans l’espace des phases n

Limitation : nmax nécessité d’un piège sans laser : piège magnétique

• Du moins confinant au plus confinant

Chargement du piège : mode opératoireChargement du piège : mode opératoire

• Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques

Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes

• Transfert du centre du PMO plus près de la surface du chip

• Passage adiabatique au champ du courant en U plus champ homogène (« bias ») 108 atomes

• Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques

Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes

• Transfert du centre du PMO plus près de la surface du chip

• Piège magnéto-optique miroir avec deux bobines macroscopiques

Peu confinant, accumulation de beaucoup d’atomes

J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001)

(Remarque : imagerie par fluorescence ou absorption)

• On éteint les lasers V = g mF B B

• Champ quadrupolaire => transition de Majorana (« spin-flip »)

• Nécessité d’un champ non nul au centre : Ioffe-Pritchard : champ harmonique

PMO avec fil en U + bias

PM avec fil en Z + bias

J.Reichel et al, Appl. Phys. B 72, 81–89 (2001)

J.Schmiedmayer, www.atomchip.net

J.Reichel, Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)

• Images

Piège magnétique : description et mise en œuvre Piège magnétique : description et mise en œuvre expérimentaleexpérimentale

• On éteint les lasers V = g mF B B

• Champ quadrupolaire => transition de Majorana (« spin-flip »)

• Nécessité d’un champ non nul au centre : Ioffe-Pritchard : champ harmonique

• Remarque : piège magnétique encore hamiltonien…

CBE obtenu par refroidissement évaporatif (onde rf)

Transport dans toutes les directions

Transport à partir d’un réservoir

Séparation et recombinaison

=> interféromètre

Manipulations plus complexesManipulations plus complexes

J.Schmiedmayer, www.atomchip.netJ.Reichel, www.mpq.mpg.de/~jarJ.Schmiedmayer, www.atomchip.net

a : Transport du CBE sur 1.6 mm en 100 ms avec le tapis roulant magnétique.

b : Images de temps de vol après relâchement du piège, en 19.3 ms

Structure bimodale après le transport (cigare) c’est encore un condensat !

J.Reichel, www.mpq.mpg.de/~jar

• Forts gradients de champ magnétiques => pièges très confinants

• Miniaturiser les manip d’atomes froids

(horloges, interféromètres : mesures de précision portables)

• « Démocratiser » les manip d’atomes froids

(Pas de forts courants dans des bobines refroidies à l’eau, nécessité d’un vide 100 fois moins poussé)

• Intégrer d’autres dispositifs sur le même chip

(Cavités optiques, électrodes, laser fibrés…)

• Étudier les interactions atomes/surface

(Dépopulation, décohérence, réchauffement dus à la surface Refroidissement par évaporation induite par la surface)

• Candidat sérieux pour l’information quantique

Intérêts des atom chipsIntérêts des atom chips

PLANPLAN

I / Présentation des « Atom I / Présentation des « Atom chips »chips »

II / Cohérence d’un atome piégéII / Cohérence d’un atome piégé

• Atom chips = candidat intéressant pour l’information quantique

q-bits ( |0> + |1> ) N (différent de |00…0> + |11…

1> !)

• Question : effet de la surface dans la décohérence de la superposition cohérente d’états

Cohérence d’un atome piégé : introductionCohérence d’un atome piégé : introduction

• Idée : comparer

•Manip d’atomes froids « standards » :

D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions on spin coherence and resonance shifts in a magnetically trapped ultracold gas », PRA 66,053616 (2002)

•Atom chips :

P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)

Description du systèmeDescription du système

• Niveaux hyperfins du fondamental 5S1/2 du 87Rb

• |0> et |1> états piégés dans un piège magnétique (gFmF>0)

• Transition à deux photons (mF=2) => oscillations de Rabi

• Idée : spectroscopie Ramsey (imagerie par absorption)

• Sources de décohérence possibles

Dépendance de 01 en B (et donc de RABI) => bruit de phase

-Fluctuations temporelles de B (courants sur la surface ou labo)

-T>0 : les atomes bougent, et B(z) => les atomes voient un B(t)

Shift collisionnel (dépend de T et de la densité)

Surface

• Pour voir le rôle de la surface : minimiser les autres sources de décohérence et se placer dans les mêmes conditions que D.M.Harber et al.

Décohérence due à la surface ?Décohérence due à la surface ?

E0 et E1 dépendent de B => dépend de B

Au 1er ordre, E=gFmFBB et (gFmF)|0>=(gFmF)|1> : pas d’effet Zeeman

différentiel linéaire

En réalité : effet Zeeman différentiel quadratique

Minimisation de l’effet Zeeman différentielMinimisation de l’effet Zeeman différentiel

D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions… », PRA 66,053616 (2002)

minimisé en B0=3.23 G

Choix Bbias=3.23 G

Spectroscopie RamseySpectroscopie Ramsey

RésultatsRésultats

• Incertitude énorme !

• Piège macroscopique

C ≈ 2.5 s : comparable

La surface semble ne pas jouer de rôle majeur…

P.Treutlein et al. : « Coherence … », PRL 92,203005 (2004)

Fit : sin²(RTR) exp(-TR/C)/2 pulse à R=01-(mw+rf) fixé

Rôle de d, distance atomes-surfaceRôle de d, distance atomes-surface

• TR fixé, R=01-(mw+rf) varie via mw+rf => franges + fit => on extrait C(TR)

• d varie de 5 à 132 m : grosse amplitude ! C ≈ cte

• T et n0 varient à chaque point… (?)

P.Treutlein et al. : « Coherence … », PRL 92,203005 (2004)

Conclusion de l’article de P.Treutlein Conclusion de l’article de P.Treutlein et al.et al.

• Contraste indépendant de d à la précision expérimentale

• Décohérence due principalement

à l’effet Zeeman différentiel résiduel (fluctuations de B ≈ 6 mG dans le labo)

au shift collisionnel

• Ouvertures

Horloges atomiques (précision 10-13 -1/2 Hz -1/2 envisageable)

Information quantique : C suffisant pour y croire !

ConclusionConclusion• Perspectives :

Caractérisations plus poussées

Mesures de précision (horloges, interféromètres atomiques…)

Couplage à d’autres manips de la physique atomique

Atom chip =

nouvel outil dans le pool des techniques expérimentales de la physique atomique

RéférencesRéférences• J.Reichel et al. « Applications of integrated magnetic microtraps » Appl. Phys. B 72, 81-89 (2001)

• P.Treutlein et al. : « Coherence in microchips traps », PRL 92,203005 (2004)

• J.Reichel, « Microchip traps and Bose-Einstein condensation » Appl. Phys. B 75, 469–487 (2002)

• D.M. Harber et al. : « Effect of cold collisions on spin coherence and resonance shifts in a magnetically trapped ultracold gas », PRA 66,053616 (2002)

• J.Dalibard : poly d’atomes froids (2003)

• T.Nirrengarten, « Piégeage d’atomes de Rydberg au voisinage d’un chip supraconducteur », rapport de DEA (2003)

• E.Young, rapport de stage long de MIP2 (2003)

• http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm

• http://www.mpq.mpg.fr/~jar

• http://www.atomchip.org