VERS UNE MEMOIRE QUANTIQUE AVEC DES IONS PIEGES

tel-00430795, version 1 - 9 Nov 2009
Chapitre 3
Techniques Expérimentales
Ce chapitre propose un certain panorama des techniques expérimentales couramment employées
dans les expériences d’ions piégés pour replacer ce travail de thèse dans un contexte
plus général. On illustre l’introduction faite au second chapitre du piège de Paul linéaire
par un certain nombre de dispositifs représentatifs de la littérature et on propose d’élargir
l’introduction du refroidissement Doppler en décrivant brièvement d’autres méthodes de refroidissement.
Les objectifs expérimentaux qui motivent les structures ou les méthodes sont
évoquées. En outre, on détaille les principales techniques d’ionisation et de détection pour
les ions piégés, leurs avantages et leurs limites. Les techniques de détection utilisées durant
cette thèse sont présentées.
3.1 Piège de Paul linéaire
On présente ici différentes réalisations de piège de Paul linéaires que l’on peut trouver
dans la littérature, dont on compare les caractéristiques de taille, raideur de potentiel et
forme des endcaps. Les contraintes habituelles au dessin d’un piège sont la précision des
pièces, celle de leur position et les perturbations du champ électrique créées par l’environnement
des électrodes, notamment la structure de fixation. Ces pièges s’utilisent dans des
chambres à ultra-vide 1 ce qui impose un choix de matériaux adaptés. On observe une tendance
dans la communauté des piégeurs d’ions à utiliser des pièges de plus en plus petits
alimentés par des tensions oscillantes à très haute fréquence. Outre l’intégrabilité des pièges,
l’enjeu dans cette tendance est également d’obtenir une raideur de potentiel très importante
et de placer les ions dans le niveau vibrationnel le plus faible possible. On cherche notamment
à ce que la fréquence du mouvement de l’ion, notée ωx/2π, devienne plus importante que la
largeur naturelle Γ de la transition utilisée pour le refroidissement, et plus importante que le
¯hω0
2
terme ωr/2π = 4πMc2 , terme proportionnel à l’énergie de recul. La première condition permet
de résoudre spectroscopiquement les niveaux vibrationnels de l’ion, et la seconde appelée
régime de Lamb-Dicke, permet de mettre en œuvre des techniques de refroidissement dite de
”Ground State Cooling” c’est à dire où le niveau fondamental vibrationnel devient fortement
peuplé. Certaines de ces techniques sont présentées dans ce chapitre (voir page 70).
On regroupe dans cette présentation les différentes géométries selon la taille du dipositif depuis
les pièges centimétriques destinés à contenir une grande population d’ions aux pièges
1 c’est à dire où la pression est d’environ 10 −10 mbar voire inférieure