Fontaine atomique double de césium et de rubidium avec une ...

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Chapitre 1. Principe de fonctionnement
d’une fontaine atomique
tel-00319950, version 1 - 9 Sep 2008
(dans les trois directions de l’espace) de faisceaux lasers contrapropageants
(2). La polarisation des lasers est choisie linéaire dans la plupart des cas.
La mélasse est alors dite “lin ⊥ lin”. Pour l’atome de césium, les lasers
de refroidissement sont accordés sur le rouge (∼ 10 MHz en dessous) de
la transition cyclante 6 S 1/2 (F = 4) → 6 P 3/2 (F = 5) (lumière dite « refroidisseur
»). S’ajoutent des faisceaux de faible intensité accordés sur la
transition 6 S 1/2 (F = 3) → 6 P 3/2 (F = 4) (lumière dite « repompeur ») afin
de réintroduire dans le cycle de refroidissement les atomes qui se seraient
désexcités dans l’état 6 S 1/2 (F =3).
Le nombre d’atomes capturés dans la mélasse optique (3) avoisine typiquement
les 10 8 à 10 9 atomes en 1 s de chargement. La vitesse quadratique
moyenne des atomes de césium piégés vaut alors ∆v ≈ 2v recul ≈ 7 mm/s. La
température effective du nuage d’atomes, donnée par la relation k B T/2 =
m ∆v 2 /2, est abaissée à ∼ 1 µK ( 2 ).
Pour un rayon 3 de faisceau laser gaussien typique de ∼ 10 mm, les atomes
dans la mélasse optique ont une distribution spatiale proche d’une gaussienne
de rayon σ r ∼ 3 mm. Afin d’améliorer l’efficacité de capture des atomes, on
peut employer un piège magnéto-optique. Celui-ci ajoute une force de rappel
vers le centre du piège qui permet de confiner les atomes. On crée alors,
avec deux bobines en configuration anti-Helmholtz, un gradient de champ
magnétique au niveau de la zone de capture tel que le champ s’annule au
centre. En raison des problèmes liés à l’application nécessairement intermittente
de ce champ magnétique, la capture des atomes dans notre fontaine est
actuellement uniquement assurée par la mélasse optique.
La capture d’un nuage d’atomes froids pendant une durée de 0,1 à 1 s,
constitue la première phase du cycle de la fontaine. La seconde phase consiste
à utiliser les six faisceaux lasers pour lancer les atomes vers le haut par
la technique de la « mélasse mouvante » [13]. Cette technique consiste à
désaccorder les lasers de sorte à refroidir les atomes dans un référentiel en
mouvement par rapport au repère de la fontaine. Elle permet de lancer les
atomes tout en gardant une dispersion de vitesses étroite et de très bien
contrôler la vitesse de lancement. Typiquement, on lance à une hauteur de
1 m au-dessus de la zone de capture, ce qui correspond à une vitesse de
lancement de 4,5 m/s. A ce stade, on a obtenu l’échantillon d’atomes pour
les étapes suivantes de sélection, d’interrogation et de détection.
2 Pour atteindre de telles températures, il faut en fait invoquer un mécanisme de refroidissement
plus complexe que le refroidissement Doppler : l’effet Sisyphe [16, 17].
3 Sur la section du faisceau gaussien, il s’agit usuellement de la distance depuis le centre
du faisceau pour laquelle l’intensité tombe à 1/e 2 du maximum.