Collisions ionisantes : un nouveau diagnostic pour les condensats de Bose-Einstein d'hélium métastable

• Auteur / Autrice : Olivier Sirjean
• Direction : Alain Aspect
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Atomes froids

Piégeage magnétique

Collisions Penning

Recombinaisons à trois corps

Déplétion quantique

Galette de micro-canaux

Résumé

L'hélium métastable (2^3S1) est à ce jour le seul élément qui n'est pas dans son état électronique fondamental pour lequel la condensation de Bose-Einstein a été obtenue. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon rapide et efficace par une galette de micro-canaux (MCP). De plus, cette énergie est responsable de collisions ionisantes au sein de l'échantillon piégé magnétiquement (ionisation Penning). Les ions ainsi formés sont également détectés par le MCP. Une fois les caractéristiques du système de détection déterminées, et la démarche expérimentale permettant de produire des condensats de Bose-Einstein détaillée, cette thèse présente les études réalisées pour déterminer l'origine des ions produits ainsi que certaines des nouvelles possibilités qu'offre le signal d'ions. Pour des échantillons de densité suffisamment faible, les ions proviennent majoritairement des collisions avec le gaz résiduel, et le signal est alors proportionnel au nombre d'atomes piégés. Pour des échantillons de densité suffisamment élevée, comme ceux obtenus proches du seuil de condensation, les ions proviennent majoritairement de collisions à deux corps et à trois corps. Le signal d'ions dépend alors également de la densité de l'échantillon. Suivant la gamme de densité, ce signal nous fournit donc une mesure "non-perturbative" en temps réel de ces différentes grandeurs. Nous avons notamment pu montrer qu'il était un précieux indicateur du moment où se produit la condensation, car il rend compte de la brusque augmentation de densité qui se produit alors. En étudiant le taux d'ions en fonction de la densité et du nombre d'atomes de condensats purs et de nuages thermiques au seuil de condensation, nous avons mesuré pour la première fois les constantes de collisions de ces processus d'ionisation. Les résultats trouvés sont en accord avec les prédictions théoriques.

At this writing, metastable helium (2^3S1) is the only example of Bose-Einstein condensation of an atom in an excited electronic state. The corresponding internal energy permits efficient and fast electronic detection of the atoms using a micro-channel plate detector (MCP). Moreover, this energy is responsible for ionizing collisions inside the magnetically trapped cloud (penning ionization). These ions are also easily detected by the MCP. This thesis begins by describing the characteristics of the MCP detector. Next, the experimental procedure to achieve Bose-Einstein condensation is presented. These preliminaries are followed by a description of the experiments performed in order to determine the origin of the ions produced and by a presentation of some of the new experimental possibilities provided by the ion signal. For clouds with a low enough density, ions are mainly produced by collisions with the residual gas, and the signal is proportional to the number of trapped atoms. For clouds with a sufficiently high density, for example close to the condensation threshold, ions are mainly produced by 2- and 3-body collisions. In this case, the ion signal is also related to the density of the cloud. Depending on the density, the signal gives a real-time and "non-destructive" measurement of these different characteristics. In particular, we have shown it is a valuable indicator of the onset of condensation, because it signals the sudden increase of density which then occurs. By studying the ion rate versus the density and the number of atoms for pure condensates and for thermal clouds at critical temperature, we have measured the collision rate constants for these ionizing processes. Our results are in agreement with theoretical predictions.