VERS UNE MEMOIRE QUANTIQUE AVEC DES IONS PIEGES

tel-00430795, version 1 - 9 Nov 2009
3.3. TECHNIQUES DE REFROIDISSEMENT AVANCÉES 71
niveaux électroniques, même si en pratique on est obligés d’en prendre en compte davantage.
On rappelle les notations des grandeurs utiles dans ce paragraphe : la fréquence de piégeage
de l’ion est notée ωx/2π, la transition correspond à une énergie ¯hω0, le niveau supérieur a une
largeur Γ. On introduit également ωr = 2Mc2 proportionnel à l’énergie de recul et η = ωr
ωx
le paramètre de Lamb-Dicke. Pour une revue sur le refroidissement d’ions, voir la référence
[112].
¯hω0 2
3.3.1 Refroidissement par bandes latérales
Proposé initialement dans [93], cette technique suppose que ωx soit grande devant Γ et
devant la largeur du laser qui excite la transition en question. Dans ce cas, lorsqu’on sonde
la transition, on fait apparaître plusieurs pics de résonance autour de la résonance ω0 et
qui correspondent à une différence de niveaux vibrationnels entre les niveaux initial et final,
ce sont les bandes latérales notées ωp = ω0 + pωx où p est un entier naturel. On parle de
bande latérale bleue lorsque p est positif, ce qui correspond à un gain d’energie cinétique pour
l’atome, et inversement de bande latérale rouge pour p négatif, l’atome perd alors de l’énergie
cinétique. Si on accorde le laser sur la première bande latérale rouge, il est possible que le
niveau vibrationnel perdu lors de l’excitation ne soit pas regagné lors de la désexcitation. Il
faut pour cela travailler dans le régime de Lamb-Dicke correspondant à η ≪ 1, pour lequel
la probabilité d’une désexcitation qui change le niveau vibrationnel est négligeable devant
celle d’une désexcitation sans modification. Chaque cycle de fluorescence, sera décrit par les
étapes suivantes (voir figure 3.7) :
|f |n → |e |n − 1 → |f |n − 1
Il est possible d’atteindre le niveau vibrationnel moyen n proche de zéro, la limite étant
fixée par la valeur du paramètre de Lamb-Dicke. Expérimentalement, la difficulté tient à
Fig. 3.7 – Schéma du refroidissement par bandes latérales. L’excitation lumineuse fait passer
l’ion dans le niveau atomique excité mais dans le niveau vibrationnel inférieur. Dans le régime
de Lamb-Dicke, la désexcitation s’effectue sans de modification du niveau vibrationnel.
assurer ωx grand devant Γ et η ≪ 1. Dans [111], l’ion 198 Hg + se trouve piégé dans un piège
de Paul à la fréquence de piégeage ωx = 2π ×3 MHz. La transition utilisée est une transition
2 S1/2 ↔ 2 D 3/2 de l’ion mercure, de sorte que Γ 10 Hz. On assure ωx ≫ Γ, mais le taux
d’excitation est alors faible et le temps caractéristique du refroidissement est supérieur à
la seconde. Le chauffage RF en compétition ne permet pas dans la pratique d’améliorer le
refroidissement Doppler. On a alors recours à un troisième niveau, 2 P 3/2, couplé au niveau
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