Condensats de Bose-Einstein et lasers à atomes

Bose-Einstein condensates and atom lasers

• Auteur / Autrice : Yann Le Coq
• Direction : Alain Aspect
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Atomes froids

Onde radio-fréquence

Interférences atomiques

Matrices ABCD

Optique de Fourier cohérente

Résumé

Les condensats de Bose-Einstein d'atomes en phase gazeuse obtenus dans des pièges magnétiques consistent en une accumulation macroscopique d'atomes dans la même fonction d'onde. Ils représentent donc un analogue pour l'optique atomique à des photons piégés dans une cavité laser en optique photonique. Tout comme en optique, afin d'utiliser ceux-ci comme source cohérente, il convient de les faire sortir de la cavité de façon contrôlée. Nous procédons par application d'un champ radiofréquence de faible amplitude. Les atomes sont alors faiblement couplés vers un état interne non piégé magnétiquement et tombent sous l'effet de la gravité. On obtient ainsi un flux cohérent et continu d'onde de matière jusqu'à épuisement du condensat de Bose-Einstein qui en est la source. Nous étudions les propriétés transverses des jets atomiques ainsi produits ou "lasers à atomes". En particulier, nous observons et mesurons la divergence du jet d'atomes pour différents paramètres expérimentaux. Une théorie à base de matrices ABCD analogue à celle de l'optique photonique permet d'obtenir un bon accord avec les données expérimentales. Nous constatons que les effets dominants sont les interactions entre le condensat de Bose-Einstein source et les atomes du laser atomique. Ceci constitue une différence profonde avec le cas des photons. Nous réalisons finalement des figures d'interférences entre différents lasers atomiques issus d'un même condensat de Bose-Einstein. Les interférogrammes obtenus sont qualitativement et quantitativement bien décrit par une théorie adaptée de celle de l'optique de Fourier cohérente.

Bose-Einstein condensates in dilute vapor obtained in magnetic traps consist in a macroscopic accumulation of atoms in the same wavefunction. Hence, they represent a matter wave analog of photons stored in a laser cavity in photonic optics. Just like in optics, we need to extract them from the cavity in a controlled way, so as to use them as a coherent source. We use a weak radio- frequency electromagnetic field to induce a coupling of the atoms to a magnetically untrapped internal state. The untrapped atoms then fall down under the effect of gravity. We thus obtain a coherent and continuous matter wave until the source condensate is emptied. We study the transverse properties of such coherent atomic beams. Specifically, we observe and measure the angular divergence of the atomic beam for different experimental parameters. An ABCD matrices based theory, in analogy with photonics optics gives good agreement with experimental data. We find that the divergence of the laser is primary due to interactions between the Bose-Einstein condensate and the atoms in the laser. This is in stark contrast to photonic lasers. Finally, we make interference patterns between different atom lasers extracted from the same Bose-Einstein condensate. The patterns we observe are qualitatively and quantitatively well-described by a theory adapted from coherent Fourier optics theory.