Piégeage et refroidissement d'ions strontium dans des pièges micro-fabriqués

Trapping and cooling of strontium ions in a micro-fabricated trap

• Auteur / Autrice : Benjamin Szymanski
• Direction : Luca Guidoni, Jean-Pierre Likforman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et interfaces
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomes

Refroidissement laser

Micro-fabrication

Ions piégés

Résumé

Après une introduction, je présente les principes du piégeage et du refroidissement laser des ions. Je décris ensuite le système expérimental en mettant l'accent sur les outils que j'ai développé lors de ma thèse. La suite du manuscrit porte sur la fabrication et la mise en œuvre de dispositifs de piégeage miniatures réalisés en déposant des électrodes métalliques sur la surface d'un substrat (micro-pièges à ions planaires). Je commence par présenter le calcul des champs électriques nous permettant de dessiner et de contrôler le fonctionnement de ces dispositifs. Ensuite je décris la mise en œuvre d'une première génération de pièges de Paul linéaires surfaciques qui a permis d'obtenir des structures ordonnées bidimensionnelles (cristaux de Coulomb) contenant plus de 150 ions Sr+ froids. Ces cristaux sont des candidats pour la simulation quantique de Hamiltoniens de spin 2D. Je décris ensuite le protocole de réalisation en salle blanche que nous avons développé pour fabriquer des dispositifs dont la miniaturisation est plus poussée (taille caractéristique de quelques dizaines de microns). Nous avons fait fonctionner ces dispositifs à l'état de l'art et ouvert des perspectives sur la compréhension du rôle de l'état des surfaces métalliques dans les processus de couplage entre le mouvement de l'ion et les fluctuations des champs électriques engendrés par les électrodes (''chauffage anormal'').

After giving an introduction about the context, I show the basics of ions trapping and laser cooling. Afterwards, I describe the experimental setup highlighting the tools I developed and dealt with during my thesis. The other part of the manuscript is about the fabrication and the implementation of miniaturized trapping devices, realized by placing metal electrodes on top of a substrate (planar ion microtrap). I start with a presentation of the electric fields calculation, which allows us to design and control the proper operation of these devices. Then, I describe the implementation of a first generation of linear surface Paul traps, which allows us to obtain two-dimensional organized structures (Coulomb crystals), containing more than 150 Sr+ cooled ions. These crystals are good candidates for quantum simulation of 2D-spin Hamiltonians. Afterwards, I describe the clean room fabrication protocol we developed to create these devices, with a better and improved miniaturisation (with a typical size of a few tens of microns). We made these state-of-the-art devices work. We also open to new perspectives on the comprehension of the involvement of the metal surface state in coupling processes between the ion and the electric field fluctuations, caused by the electrodes (« anomalous heating »).