Comment refroidir les atomes froids avec la lumière laser ? Principes et techniques

10/05/2013
Auteurs :
Publication REE REE 2012-4 Dossier Les atomes froids
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-4:4229

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Comment refroidir les atomes froids avec la lumière laser ? Principes et techniques

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REE N°4/2012 ◗ 57 les atomes froids Saïda Guellati-Khelifa (1,2) Pierre Cladé (1) (1) Laboratoire Kastler Brossel, Ecole normale supérieure, Université Pierre et Marie Curie (2) Conservatoire national des arts et métiers Refroidir des atomes sans créer un solide La physique atomique est née au XXe de l’étude du spectre des gaz atomiques. C’est en observant l’émission ou l’absorption de la lumière par un gaz que l’on a compris la structure atomique et ensuite élaboré les premières théories de la mécanique quantique. Le fait que les atomes soient en phase gazeuse est impor- tant car dans cet état ils sont quasiment isolés les uns des autres et peuvent donc être compris individuelle- ment. Cependant, dans un gaz, l’agitation thermique pose problème. A température ambiante, la vitesse ty- pique d’un atome peut atteindre 1 km/s. L’observation d’un même atome est donc limitée dans la durée ce qui limite la précision sur les mesures. De plus, il n’est pas possible d’utiliser les techniques de cryogénie car à faible température tous les corps sont en phase solide ou liquide. C’est pour répondre à ce problème, ralentir des atomes tout en les maintenant en phase gazeuse, que sont nées les techniques de refroidissement laser. Le refroidissement atomique a un intérêt au-delà du simple ralentissement des atomes. En effet à très faible température, il est possible d’observer la nature ondulatoire de la matière. On peut le comprendre à partir du principe d’Heisenberg qui nous dit qu’il n’est pas possible qu’une particule ait une position et une vitesse bien déterminées simultanément. Lorsque l’on refroidit un gaz d’atome, la vitesse de chaque atome tend vers zéro. L’atome ne peut alors plus être localisé en un point et son extension spatiale (l’onde atomi- que) augmente. Cette nature ondulatoire va pouvoir s’observer lorsque la taille de l’onde sera de l’ordre du micromètre (longueur d’onde lumineuse). L’atome se comporte alors comme une onde : on peut par exem- ple le diffracter ou faire des interférences. Un autre phénomène étrange apparaît lorsque l’extension spa- tiale des atomes devient beaucoup plus grande que leur séparation : alors que le gaz est très dilué, que les forces d’interaction entre atomes sont très faibles, les interférences entre atomes vont modifier la nature de la matière. On observe selon la nature des atomes un condensat de Bose Einstein ou un gaz de Fermi dégénéré. Pour refroidir ces atomes, tout en les maintenant dans une phase gazeuse, plusieurs techniques exis- tent. Nous décrirons dans cet article le refroidisse- ment laser et le refroidissement par évaporation. Ces deux techniques permettent d’atteindre des tempéra- tures de l’ordre du nanokelvin - température pour la- quelle l’agitation thermique correspond à des vitesses de l’ordre du mm/s. Ces températures sont atteintes Comment refroidir les atomes froids avec la lumière laser ? Principes et techniques This article is devoted to the description of various mechanisms of the laser cooling of neutral atoms. These mechanisms are all based on the interaction between a photon, an entity of light, and an atom, an entity of matter. One of the macroscopic manifestations of this interaction is the pressure of radiation force. The effect of this force is strongly amplified when the source of photon is a laser. We will describe how it is possible to use this force with the Doppler effect in order to slow an atomic beam and also to reduce considerably the thermal agitation of atoms. We will explain how by shaping the light potentials and magnetic fields it is possible to reach extremely low temperatures of some nanokelvin. At these temperatures, very near to the absolute zero, it is possible for certain kind of atoms, called bosons, to achieve a new state of matter, where quantum behaviour of atoms became apparent on a macroscopic scale. abstract 58 ◗ REE N°4/2012 les atomes froids pour un nuage d’au plus un milliard d’atomes dans un vo- lume d’environ 1 mm3 , protégé par une enceinte à vide. Interaction atome-rayonnement Du point de vue de la mécanique quantique, l’énergie in- terne de l’atome est quantifiée. L’échelle des niveaux d’éner- gie dépend de la structure de l’atome : c’est une sorte de carte génétique propre à chaque atome. Considérons deux niveaux d’énergie : le niveau fondamental f et le niveau ex- cité e. La différence d’énergie entre les deux niveaux peut être exprimée en termes de fréquence, appelée fréquence de résonance de la transition atomique νa . Quand l’atome est éclairé par un faisceau laser de fréquence ν, le photon laser a d'autant plus de chance d'être absorbé par l'atome que la fréquence laser est proche de la fréquence atomique νa . On dit que le laser est quasi-résonant lorsque le désaccord en fréquence δ = ν a – ν est très faible comparé aux fréquences caractéristiques du système (atome, laser). La durée de vie de l’atome dans le niveau excité est limi- tée ; il se désexcite vers le niveau fondamental par émission spontanée d’un photon (photon de fluorescence). Comme pour un oscillateur classique, la largeur de la résonance, est inversement proportionnelle au temps d’amortissement. Pour les transitions atomiques, la largeur de résonance est définie par la largeur naturelle du niveau excité que l’on note Γ. La durée de vie de l’atome dans ce niveau est égale à Γ-1 . Par ailleurs, le photon, « particule élémentaire de la lumière », est doté d’une impulsion (voir l’encadré 1). Lorsqu’il absorbe un photon, l’atome encaisse son impulsion et recule d’une vitesse qu’on note désormais νr . De même, quand l’atome émet un photon spontanément, il restitue l’impulsion acqui- se. Il faut noter ici un point crucial pour la suite, la direction du recul induit par l’absorption du photon est bien définie, par la direction du vecteur d’onde. En revanche le recul dû à l’émission spontanée est totalement aléatoire. Les forces de la lumière : force de pression de radiation La force exercée par la lumière sur les atomes est à l’ori- gine de tous les mécanismes de manipulation d’atomes par laser. L’idée que la lumière puisse exercer une action méca- nique sur la matière est vieille de plus de trois siècles. L’intui- tion de Johannes Kepler fut juste, lorsqu’il expliqua pourquoi la queue des comètes est orientée à l’opposé du soleil, par la pression de radiation exercée par la lumière solaire sur les particules de poussière qui constituent la queue. A l’échelle atomique, cette force de pression de radiation se manifeste par un changement de vitesse occasionné par le transfert de l’impulsion du photon à l’atome. Comme nous l’avons men- tionné précédemment, lorsqu’un atome absorbe un photon, il change de niveau d’énergie et il recule. La vitesse de recul varie selon la nature de l’atome, elle vaut 6 mm/s pour un atome de rubidium. A priori, ce changement de vitesse est très faible comparé à la vitesse moyenne des atomes dans un gaz à température ambiante, qui est d’environ quelques centaines de mètres par seconde. Pour que l’action de la lumière sur l’atome soit appréciable, il faudrait lui transmet- tre beaucoup de reculs en le faisant interagir « longtemps » avec des photons se propageant dans la même direction. De ce point-clé découle le rôle fondamental du faisceau laser dans la manipulation du mouvement des atomes. Dans un faisceau laser les photons possèdent quasiment la même énergie et la même impulsion, c’est pour cette raison que l’action mécanique du laser sur les atomes est spectaculaire. Figure 1 : Comparaison entre les différentes échelles de températures. Encadré 1 : Le laser et son photon. REE N°4/2012 ◗ 59 Comment refroidir les atomes froids avec la lumière laser ? Principes et techniques Nous allons maintenant estimer l’accélération subie par l’atome dans un cycle d’absorption-émission spontanée. Considérons un atome initialement au repos éclairé par un faisceau laser quasi-résonant. Il absorbe un photon et il recule de vr . Au bout d’une durée égale à la durée de vie du niveau excité, l’atome se désexcite et réémet un photon de même fréquence. La direction du photon émis est aléatoire et les probabilités d’émettre dans deux directions opposées sont égales, l’effet moyen du recul dû à l’émission spontanée est alors nul. Ainsi, sur un cycle, l’accélération est en moyenne égale à vr divisée par la durée de vie du niveau excité. Pour l’atome de rubidium vr = 6 mm/s et Γ-1 = 27 ns, l’accélération est égale à 2.2 x 105 m/s2 soit 22 000 fois l’accélération de la pesanteur ! La force de pression de radiation dépend de la puissance laser et atteint sa valeur maximale quand la transition atomi- que est saturée. Nous avons jusqu’ici considéré le cas d’un atome immobile ; en pratique on utilise des gaz ou des jets atomiques. La fréquence apparente du laser dépend de la vitesse de l’atome à cause de l’effet Doppler. Quand la fré- quence du laser est fixe, la condition de résonance n’est pas satisfaite pour toutes les classes de vitesse. Par conséquent la force de pression de radiation dépend aussi de la vitesse de l’atome. Ralentissement d’un jet atomique par laser En 1983, l’équipe de W. D. Phillips du National Bureau of Standards (NIST) à Washington a réussi à ralentir un jet d’ato- mes de césium en utilisant la force de pression de radiation. L’expérience consistait à éclairer un jet atomique de vitesse moyenne d’environ 1 000 m/s par un faisceau laser se pro- pageant dans le sens opposé. La principale contrainte, pour ralentir les atomes du jet, était de compenser le déplacement Doppler quand la vitesse diminue et de maintenir ainsi la condition de résonance. Dans l’expérience de Washington, le jet atomique était placé sur l’axe d’un solénoïde qui produisait un champ magnétique inhomogène. Le champ magnétique induit un déplacement des niveaux d’énergie grâce à l’effet Zeeman. Le profil spatial du champ magnétique était façonné de telle sorte que la variation de la fréquence atomique due à l’effet Zeeman compensait le décalage de fréquence dû à l’effet Doppler. Cette technique est très efficace, elle permet de produire un jet continu d’atomes lents. Tous les atomes qui sortent du four peuvent être arrêtés pourvu que leur vi- tesse soit inférieure à une vitesse maximale définie par la longueur du solénoïde et l’accélération maximale induite par le laser. La seconde technique démontrée par l’équipe de J. Hall à Boulder en 1985, consiste à balayer linéairement au cours du temps, la fréquence du laser. Elle est plus simple à mettre en œuvre, mais demeure moins efficace que la précédente, Figure 2 : Profils de distribution d’un jet de césium ralenti par diodes lasers à différentes vitesses. Les profils sont obtenus en regardant le signal de fluorescence atomique induit par un faisceau laser sonde placé à 1,6 m de la sortie du four (Figure extraite du C.R. Acad. Sci. Paris, t 306, Série II, p. 1319-1324, 1988). Effet Doppler L’effet Doppler est le changement apparent de la fréquence d’une onde acoustique ou électromagnéti- que lorsque la source est en mouvement par rapport à l’observateur. Cet effet est à l’origine du changement de la tonalité du son émis par une ambulance en mouve- ment. Le son est aigu (fréquence élevée) lorsqu’elle se rapproche de l’observateur et il devient grave (basse fré- quence) lorsqu’elle s’en éloigne. Au premier ordre près, le décalage Doppler est proportionnel à la vitesse rela- tive entre la source et l’observateur, tant en référentiel galiléen qu’en hypothèse relativiste. Encadré 2 : Effet Doppler. 60 ◗ REE N°4/2012 les atomes froids elle permet de produire uniquement des bouffées d’atomes lents. La figure 2 montre une série de profils de vitesses, réalisés en 1988 dans l’équipe de C. Cohen-Tannoudji au La- boratoire Kastler Brossel. Les profils de vitesse sont obtenus en détectant la fluorescence des atomes en fonction de la fréquence d’un laser sonde placé à 1,6 m de la sortie du four atomique. On déduit le profil de vitesse du spectre de fluo- rescence grâce à l’effet Doppler. On voit sur la figure 2, qu’il est possible de ralentir les atomes à différentes vitesses et on peut même changer leur direction pour les renvoyer dans le four. On observe aussi une réduction substantielle de la lar- geur de la distribution des vitesses autour de la vitesse finale. L’agitation thermique des atomes ralentis est beaucoup plus faible. Le laser permet ainsi de refroidir les atomes. Refroidissement d’atomes par laser : mélasse optique La décennie qui a suivi les premières expériences de ra- lentissement d’atomes fut une époque faste pour la physique atomique. Les premières idées ont exalté le génie des phy- siciens et ouvert des horizons extraordinaires pour la physi- que. De nombreux mécanismes, de plus en plus subtils, ont été proposés pour manipuler finement le mouvement des atomes : mélasse optique, piège magnéto-optique, refroidis- sement évaporatif, etc. Ces nouveaux systèmes physiques ont rapidement été mis en pratique pour comprendre et affi- ner diverses facettes de la physique : physique de la matière condensée, biophysique, métrologie. Le mécanisme le plus simple pour refroidir les atomes, uti- lise la force de pression de radiation. Il s’agit du « refroidisse- ment Doppler ». Le principe consiste à éclairer les atomes par deux faisceaux laser de même fréquence se propageant dans deux directions opposées. Pour que le mécanisme soit effi- cace, la fréquence des lasers doit être légèrement inférieure à la fréquence de résonance d’un atome au repos. Un atome au repos subit une force nulle, du fait de l’action antagoniste des deux faisceaux laser. Considérons maintenant un atome animé d’une vitesse . A cause de l’effet Doppler, la fréquen- Figure 3 : Principe du refroidissement Doppler. REE N°4/2012 ◗ 61 Comment refroidir les atomes froids avec la lumière laser ? Principes et techniques ce laser apparente est déplacée de la quantité . D’après la figure 3, pour un atome qui se dirige vers la gauche, la fré- quence apparente de l’onde laser 1 est plus grande que celle du laser 2. En d’autres termes le désaccord à résonance avec le laser 1 est plus faible comparé au désaccord avec le laser 2. Il absorbe beaucoup plus de photons du laser 1. Par consé- quent l’intensité de la force de pression de radiation exercée par ce laser est plus importante. La situation s’inverse quand la vitesse de l’atome est inversée. Au final, tous les atomes dont la vitesse est inférieure à la vitesse de capture vc 1 sont soumis à une force de friction proportionnelle à la vitesse. Cette force résulte de l’action conjointe des forces de pression de radiation exercées par les deux ondes laser. Ce modèle, à une dimension, peut aisément se générali- ser à trois dimensions. En pratique, pour fabriquer un échan- tillon d’atomes froids. On choisit des atomes pour lesquels les fréquences lasers requises sont disponibles. C’est le cas des atomes de rubidium et du césium. Le gaz atomique est éclairé par trois paires de faisceaux laser. Au bout d’une frac- tion de seconde, plusieurs milliers d’atomes sont confinés dans une mélasse optique : une zone de lumière définie par l’intersection des six faisceaux lasers. Leur vitesse d’agitation thermique se réduit à une dizaine de centimètres par secon- de soit une température moyenne de l’ordre de la centaine de microkelvins. Le modèle du refroidissement Doppler prédit une tempéra- ture limite qui dépend de la largeur naturelle du niveau excité Γ, 120 microkelvins pour l'atome de rubidium. La première mélas- 1 La vitesse de capture est telle que le déplacement Doppler est environ égale à la largeur naturelle du niveau excité G. se optique tridimensionnelle a été observée au Bell Labs, à New Jersey, sur des atomes de sodium (figure 4). Pour augmenter l’efficacité de capture dans la mélasse, celle-ci fut chargée par des atomes préalablement ralentis dans un jet atomique. Figure 4 : Photographie d’une mélasse optique de sodium. Les atomes sont ralentis par laser avant de rentrer dans la mélasse optique à trois dimensions (figure extraite de la leçon Nobel de Steven Chu, lauréat 1997). Figure 5 : Mesures de température d’une mélasse optique à trois dimensions en fonction de l’intensité laser et du désaccord à résonance δ. Le paramètre Ω représente la fréquence de Rabi (proportionnelle à l’intensité laser) et Γ la largeur naturelle du niveau excité. Ces mesures ont été réalisées en 1990 au Laboratoire Kastler Brossel. La figure est extraite du papier : C. Salomon et al. Europhys. Lett. 12, 683 (1990). 62 ◗ REE N°4/2012 les atomes froids En 1988, l’équipe de W. D. Phillips a mené des mesures de température sur des échantillons d’atomes de sodium refroi- dis dans une mélasse optique à trois dimensions, en faisant varier l’intensité et la fréquence du laser. Des températures beaucoup plus basses que la température limite prévue par le modèle du refroidissement Doppler ont été mesurées. Ces résultats sont à l’origine d’un nouveau mécanisme de refroi- dissement beaucoup plus efficace, baptisé refroidissement Sisyphe et proposé par C. Cohen-Tannoudji et W. D. Phillips, lauréats avec S. Chu, du prix Nobel de physique 1997. Nous allons essayer d’expliquer simplement ce mécanisme. Les six faisceaux sont issus de la même source. Dans une direction donnée, deux faisceaux contra-propageants interfèrent et créent une onde stationnaire. Dans cette onde stationnaire l’atome voit un potentiel lumineux qui varie périodiquement dans l’espace. En se déplaçant, il va escalader des collines (il ralentit alors) et redescendre (il accélère). L’effet Sisyphe provient du fait que, à cause de l’émission spontanée qui a lieu préférentiellement en haut des collines, l’atome peut redescendre sans être accéléré. Tout comme dans le my- the, l’atome doit alors continuellement gravir une colline ; il est alors fortement ralenti. Les températures obtenues par le refroidissement Sisyphe peuvent atteindre quelques micro- kelvins (figure 5). Piège magnéto-optique En 1986, Jean Dalibard chercheur au CNRS, a proposé une idée très originale pour augmenter le temps de confine- ment des atomes. Elle consiste à superposer aux faisceaux la- ser, un gradient de champ magnétique. L’intensité du champ magnétique est nulle au point d’intersection des six faisceaux laser et varie linéairement en s’éloignant du centre. Le gra- dient de champ magnétique est produit à l’aide d’une paire de bobines en configuration anti-Helmoltz. A cause de l’effet Zeeman du premier ordre, les niveaux d’énergie de l’atome varient spatialement comme le champ magnétique. On peut montrer que si l’on choisit judicieusement la polarisation des faisceaux lasers, l’action conjuguée de la lumière laser et du gradient du champ magnétique est composée d’une force de rappel proportionnelle à la position des atomes et qui a tendance à les ramener vers le point zéro du champ magné- tique, et une force de friction proportionnelle à leur vitesse et qui a tendance à les confiner en vitesse. Ce mécanisme appelé piège magnéto-optique a été réalisé pour la première Comment mesure-t-on la température d’un gaz d’atomes froids ? Dans une mélasse optique, on confine typiquement, environ cent millions d’atomes dans un volume d’environ 1 cm3 . Pour mesurer la température des atomes froids, il est irréaliste d’utiliser un thermomètre, on mesure plutôt la vitesse de l’agitation thermique. La méthode couramment utilisée est la technique de temps de vol. Elle consiste à placer, quelques centimètres en dessous du centre de la mélasse optique, un faisceau laser quasi-résonant appelé faisceau sonde. A l’instant t, on éteint les faisceaux laser de la mélasse optique, les atomes désormais libres tom- bent sous l’effet de la pesanteur. A partir de cette instant, on enregistre le temps d’arrivée des atomes au niveau du faisceau sonde en regardant le signal de fluorescence collecté sur une photodiode. Le profil du temps de vol est analysé pour remonter à la largeur de la distribution de vitesse initiale (au niveau de la mélasse optique) et déduire ainsi la température moyenne. Ci-contre un profil de temps de vol réalisé en 1990, au Laboratoire Kastler Brossel. Des atomes froids de césium font une chute de 70 cm et arrivent dans un faisceau laser sonde quasi- résonant. REE N°4/2012 ◗ 63 Comment refroidir les atomes froids avec la lumière laser ? Principes et techniques fois en 1987 au Bells Labs au New Jersey. Cette équipe a réussi de piéger environ 107 atomes de sodium dans une zone de diamètre inférieur à 500 µm pendant 2 min. Le temps de confinement dans un piège magnéto-optique dépend unique- ment du vide dans l'enceinte car il est limité par les collisions avec les molécules qui résident dans l'enceinte à vide. Refroidissement évaporatif Nous avons vu dans la partie précédente que la tempé- rature atteinte par le refroidissement laser est de l’ordre du microkelvin. Il est possible de réduire cette température si- gnificativement en utilisant la technique de refroidissement par évaporation. Le refroidissement par évaporation n’est pas un mécanisme propre au refroidissement atomique. En effet, le refroidissement par évaporation est effectué quotidienne- ment lorsque l’on souffle sur une tasse de café bouillante pour la refroidir. Que se passe-t-il précisément ? A cause de l’agitation thermique, les molécules d’eau s’agitent dans tous les sens. Elles ont une vitesse moyenne qui dépend de leur température. Il ne s’agit que d’une vitesse moyenne et certai- nes molécules vont beaucoup plus vite que cette moyenne. Elles peuvent alors sortir de la phase liquide, emportant avec elle une énergie très importante. En soufflant sur à la surface de la tasse, on élimine donc les particules qui ont le plus d’énergie. On réduit ainsi l’énergie moyenne des particules restantes, donc la température. Un mécanisme similaire peut être mis en place pour les atomes. Les atomes sont placés dans un piège dont la pro- fondeur est finie. On peut s’imaginer des billes dans un bol. Une bille qui évolue lentement, oscillera au fond du bol. Si par contre la bille va très vite, elle pourra sortir du bol. La hauteur du bol limite donc l’énergie maximale d’une bille pla- cée dans celui-ci. De la même façon, nos atomes sont pla- cés dans piège qui est façonné de telle sorte que les atomes les plus rapides s’en échappent. On enlève ainsi les atomes les plus énergétiques. Cependant les collisions aléatoires dans le gaz vont en permanence pouvoir recréer des atomes « chauds » qui seront immédiatement évaporés : la tempé- rature du milieu baisse. Le taux de refroidissement diminue puisque, en baissant la température, on diminue la proportion d’atomes qui peuvent être évaporés. On diminue alors douce- ment la profondeur du piège pour continuer l’évaporation et le refroidissement se poursuit. Cette technique est au final très efficace. Certes on va perdre des atomes, il ne restera au final que 1% sinon moins du nombre initial. Mais la température va diminuer d’un facteur 100 ou plus. Plus la température baisse, plus l’extension spatiale de l’onde atomique augmente. Au fi- nal, avec cette technique, il est possible que la taille de l’onde atomique dépasse la distance moyenne entre atomes : on at- teint alors le régime de condensation de Bose Einstein. Sur la figure 6, nous avons reproduit les premières images publiées d’un condensat de Bose Einstein. Cette figure pré- sente la distribution en vitesse des atomes après un temps de vol. Lorsque l’on franchit le seuil de la condensation, un pic apparaît. La forme de ce pic correspond à l’onde atomi- que des atomes qui sont dans le condensat. Figure 6 : Figure extraite de l’article du groupe de l’université du Colorado présentant pour la première réalisation d’un condensat de Bose-Einstein. 64 ◗ REE N°4/2012 les atomes froids Description d’une expérience d’atomes froids Dans cette dernière partie, nous allons présenter le dis- positif expérimental utilisé pour une expérience d’atomes froids. Cette expérience a pour but de mesurer très précisé- ment la vitesse de recul d’un atome qui absorbe un photon2 . Nous décrirons dans cette expérience actuellement menée au Laboratoire Kastler Brossel à Paris, le dispositif visant à refroidir les atomes. Cela fait maintenant plus de 20 ans que l’on sait refroidir des atomes par laser. Les dispositifs ont fait des progrès constants. Cependant, ils sont toujours assemblés au sein des laboratoi- res et ceci afin de s’adapter précisément à l’expérience que l’on souhaite réaliser. Nous allons décrire ce qui, dans notre dispo- sitif, est typique des expériences de refroidissement laser. Les lasers Tous les types de laser ne peuvent pas être utilisés pour le refroidissement atomique. En effet, il faut que l’on puisse accorder la longueur d’onde de celui-ci pour l’ajuster préci- sément à la longueur d’onde de la transition atomique uti- lisée pour le refroidissement. La largeur du laser doit aussi être suffisamment faible (de l’ordre du MHz). La disponibilité d’un laser à la bonne longueur d’onde est primordiale pour le choix de l’espèce atomique que l’on refroidit. Ainsi, à l’heure 2 Mesure du rapport h/m sur l’atome de rubidium. http://www.lkb.ens.fr/-Metrologie-Quantique- actuelle, il n’est pas possible de refroidir par laser l’atome d’hydrogène car il n’existe pas de laser dans l’ultraviolet que l’on puisse accorder sur la transition Lyman-alpha à 122 nm de l’hydrogène. Pour le rubidium, la situation est plus simple : en effet, le laser doit être dans le proche infrarouge (780 nm). Dans cette gamme de fréquence on dispose de lasers semi-con- ducteurs bon marché (cette longueur d’onde correspond au laser utilisé pour les lecteurs et graveurs de CD). Ces lasers doivent être façonnés spectralement pour pouvoir réduire leur largeur et contrôler précisément leur longueur d’onde. Le laser doit aussi pouvoir être en permanence proche de la résonance atomique. Celle-ci fait quelques MHz de large alors que la fréquence du laser est de l’ordre de 400 THz. Contrôler le laser avec une telle précision ne peut pas se faire si l’on ne dispose pas d’une référence extrêmement sta- ble sur laquelle on vient comparer le laser pour l’asservir en fréquence. La référence la plus simple à utiliser est l’atome lui même. On réalise donc la spectroscopie de celui-ci, dans une cellule, pour pouvoir contrôler la fréquence laser utilisée pour le refroidissement. Une diode laser a une puissance de l’ordre de 50 à 100 mW. Cette puissance n’est pas suffisante pour pouvoir refroidir un grand nombre d’atomes. On utilise donc un amplificateur semi-conducteur qui peut produire jusqu’à un watt de puissance laser. La figure 7, montre une photographie du dispositif laser utilisé. En plus du laser du refroidissement, nous avons be- Figure 7 : Photographie des diodes lasers utilisées pour réaliser le piège magnéto-optique. On distingue deux systèmes laser : le laser du refroidissement ainsi que le laser « repompeur », utilisé pour transférer les atomes dans un état où ils seront piégés. REE N°4/2012 ◗ 65 Comment refroidir les atomes froids avec la lumière laser ? Principes et techniques soin d’un autre laser, le laser « repompeur », utilisé pour trans- férer les atomes dans un état où ils seront ralentis et piégés. Ce faisceau laser est ensuite contrôlé électroniquement en puissance. Pour cela, on utiliser un modulateur acousto-op- tique. Dans ce dispositif, la lumière est diffractée sur une onde acoustique créée par un oscillateur piézo-électrique. En contrôlant l’amplitude de cette onde acoustique, on contrôle la quantité de lumière diffractée et donc l’amplitude trans- mise. Cet outil est indispensable pour réaliser les différentes étapes du refroidissement où l’on diminue progressivement l’intensité laser jusqu’à la couper complètement afin de pou- voir utiliser les atomes ensuite. Cellule ultravide Le refroidissement laser ne peut fonctionner qu’à condi- tion d’isoler totalement le nuage d’atomes froids de l’exté- rieur. Pour cela il est nécessaire de disposer d’une cellule ultravide. Dans l’expérience que nous présentons, le vide est en dessous de 10-9 mbar. A ce niveau de vide, un atome refroidi pourra rester en moyenne 10 secondes dans le piège avant de subir une collision avec un atome à température ambiante. Sur la photographie de la figure 8, nous pouvons voir l’enceinte à vide utilisée. Nous pouvons voir un hublot en verre qui permet d’observer directement le nuage d’atomes. Le vide est maintenu dans l’enceinte à l’aide d’une pompe ionique (à droite de la photographie). Il est maintenant courant dans ces expériences d’injecter les faisceaux laser du piège dans une fibre afin de les amener au niveau de la cellule ultravide dans laquelle le piège est effectué. A la sortie de la fibre, chaque faisceau est mis en forme pour avoir un diamètre d’environ 1 à 2 cm. Sa polari- sation est ensuite rendue circulaire à l’aide d’une lame biré- fringente. Miniaturisation Le dispositif que nous avons présenté est un dispositif de laboratoire qui fait plusieurs mètres cubes. Il est possible de miniaturiser ce système, tant pour l’enceinte à vide que pour les lasers. A titre d’exemple, nous pouvons citer une ex- périence réalisée à la tour de chute libre du ZARM à Brême, en Allemagne. Dans cette expérience, les chercheurs on pu miniaturiser une expérience complète pour la contenir dans une capsule de 2 mètres. Le montage est suffisamment ro- buste pour que l’on puisse lâcher la capsule d’une tour de 150 m de haut. Cette expérience est un tour de force tech- nologique non seulement pour sa miniaturisation mais aussi Figure 8 : Photographie d’une cellule ultravide utilisée pour refroidir et piéger un nuage d’atomes de rubidium. 66 ◗ REE N°4/2012 les atomes froids sa robustesse - puisque le système est capable de supporter une accélération de 50 g. Elle démontre qu’il est possible de faire sortir cette technique des laboratoires de recherches. Conclusion Aujourd’hui les techniques de refroidissement laser sont implantées dans de nombreux laboratoires dans le monde et deviennent des outils incontournables pour de nombreux projets de recherches. Depuis une dizaine d’années d’impor- tants travaux ont été réalisés pour miniaturiser et fiabiliser les systèmes de mesures fondés sur ces techniques tels que les horloges atomiques, les gravimètres ou gyromètres atomiques. L’objectif est de développer des systèmes « embarqués » pour les navigations aériennes et maritimes, comme les présen- tent A. Landragin et P. Bouyer dans un autre article de cette revue. Saida Guellati-Khélifa. Professeur des universités au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM), elle effectue depuis 1998, son activité de recherche au sein de l’équipe « Métrologie des Systèmes Simples et tests fondamentaux » du Laboratoire Kastler Brossel – UPMC- CNRS-ENS. A l’issue de ses études à l’Université Houari Boumédiène d’Alger, elle a obtenu en 1988 son DEA à l’Université Paris XI et a préparé ensuite sa thèse de Doctorat entre le Laboratoire Aimé Cotton et le Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne (futur LKB). Sa thèse a porté sur le ralentissement d’atomes par laser et sur la première observation de la transition de l’horloge à césium sur un jet atomique ralenti et sur une fontaine atomique. En 1993, elle rejoint le CNAM comme maître de conférences. Pierre Cladé. Ancien élève de l’École normale supérieure de Paris, Pierre Cladé a effectué sa thèse dans l’équipe « Métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux » du Laboratoire Kastler Brossel (LKB). Après deux années de post-doctorat dans le groupe de W.D. Phillips aux États-Unis, il a rejoint en 2007, en tant que chargé de recherche au CNRS, l’équipe du LKB où il a effectué sa thèse. Il poursuit depuis ses travaux sur la mesure de haute précision de la vi- tesse du recul d’un atome et la détermination de la constante de structure fine. les auteurs