VERS UNE MEMOIRE QUANTIQUE AVEC DES IONS PIEGES

tel-00430795, version 1 - 9 Nov 2009
2.2. REFROIDISSEMENT D’ION ALCALINO-TERREUX 49
On peut alors se demander, étant donné une certaine géométrie de piège et un certain potentiel
de confinement moyen, quelle fraction du volume Vp peut effectivement être occupée.
Rappelons que l’on a défini Vp comme le volume enfermé par la surface col qui constitue la
limite de confinement. Dans les meilleures conditions, on crée les ions avec suffisamment peu
d’énergie pour que l’ensemble soit initialement dans le régime cristallin. Mais compte tenu du
fait que les nouveaux ions se placent en périphérie et sont soumis à un chauffage RF de plus
en plus intense, la puissance moyenne apportée au cristal par ion est donc croissante et le
cristal finit par fondre lorsque l’apport total devient supérieur à l’énergie que l’on peut ôter.
La taille maximale du cristal dépend in fine de l’ampleur du chauffage RF, des techniques de
génération d’ions et de l’efficacité du refroidissement.
2.2 Refroidissement d’ion alcalino-terreux
Ce chapitre est consacré aux méthodes de refroidissement d’ensemble d’ions par interaction
avec des faisceaux laser. Elles sont couramment utilisées dans les expériences d’ions piégés
qui nécessitent le contrôle en température, pour évacuer l’énergie apportée en permanence
par le chauffage RF. On détaille ici le refroidissement Doppler utilisé dans quasiment toutes
les expériences (d’autres techniques sont présentées aux pages 70 et suivantes), en décrivant
d’abord le principe de la méthode appliquée à un atome à deux niveaux, en donnant ensuite
les différences lorsqu’elle est appliquée à un atome à trois niveaux puis à un ion piégé à trois
niveaux, et finalement proposer quelques indications sur une mise en oeuvre optimale. Le
refroidissement Doppler a été historiquement proposé par T. W. Hänsch et A. L. Schawloow
en 1975 [92] et indépendamment par H. Dehmelt et D. J. Wineland[93]. Il s’agit d’éclairer un
ensemble d’atomes par un laser pratiquement résonant avec une transition atomique. Lorsque
le désaccord est négatif, l’effet Doppler porte à résonance les atomes dont la vitesse est opposée
au sens de propagation du laser (dans la limite des faibles vitesses, voir plus loin).
Ces atomes absorbent alors préférentiellement des photons dont la quantité de mouvement
est opposée à leur vecteur vitesse, et sont ralentis. Lorsqu’on éclaire l’ensemble atomique
dans trois directions perpendiculaires par trois couples de faisceaux contrapropageants ainsi
désaccordés, on définit à l’intersection des faisceaux une force de friction qui freine les atomes,
on parle de mélasse optique. On suit dans ce chapitre les cours de C. Cohen-Tannoudji et de
W.D. Phillips édité dans [94].
2.2.1 Atome à deux niveaux
Dans le cas d’un système atomique à deux niveaux et dans le régime de faible saturation1 ,
il est possible de calculer la force de friction et la température minimale accessible, appelée
température Doppler TD. On considère des atomes à deux niveaux caractérisés par une longueur
d’onde de transition λ et une durée de vie τ = 2π
Γ , éclairés par une onde plane d’intensité
I = 4π2¯hcΩR 2
3λ3 où ΩR est la fréquence de Rabi. Le vecteur d’onde est noté Γ
−→ kL = kL −→ ex, et δ le
désaccord par rapport à la transition (voir figure 2.9). La vitesse de l’atome dans la direction
x est notée vx, et par effet Doppler le désaccord ressenti par l’atome est ∆ =
δ − kLvx . La
1 c’est à dire éclairé par une intensité faible devant l’intensité de saturation, ce qui correspond à
une faible proportion d’atomes placés dans l’état excité.