Réflexion quantique sur le potentiel de Casimir-Polder

Quantum reflection from the Casimir-Polder potential

• Auteur / Autrice : Gabriel Dufour
• Direction : Astrid Lambrecht
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/11/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Angonin, Valery Nesvizhevsky, Olivier Dulieu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andreas Buchleitner, David Guéry-Odelin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravité quantique

Schrödinger, Équation de

Mots clés libres

Réflexion quantique

Interaction de Casimir-Polder

Antihydrogène

Gravitation

Équation de Schrödinger

Transformation de Liouville

Quantum reflexion

Casimir-Polder interaction

Résumé

Les collisions entre atomes ultrafroids et surfaces matérielles sont caractérisées par la réflexion de l'onde de matière atomique sur le potentiel attractif de Casimir-Polder. Cette réflexion quantique est déterminante pour des expériences telles que GBAR, qui mesurera l'accélération d'un atome d'antihydrogène froid chutant vers une plaque de détection. Dans cette thèse, le potentiel de Casimir-Polder est calculé à partir des propriétés de diffusion électromagnétique de l'atome et de la surface. Il s'avère dépendre de la réponse diélectrique, de l'épaisseur et de la densité du milieu. Nous montrons que la réflexion sur ce potentiel est associée à une rupture de l'approximation semiclassique et qu'elle augmente pour des atomes lents et des potentiels faibles. Les transformations de Liouville relient des équations de Schrödinger avec des potentiels différents mais les mêmes amplitudes de diffusion. L'équivalence entre la réflexion quantique sur un puits de potentiel et l'effet tunnel à travers une barrière offre de nouvelles perspectives sur le problème. Nous discutons aussi des effets de la gravité sur le paquet d'onde atomique et de ses conséquences pour les expériences avec des atomes en chute libre. Associée à la réflexion quantique sur un miroir horizontal, la gravité permet de maintenir des particules dans des états à longue durée de vie aux applications prometteuses pour la métrologie. En particulier, nous proposons un système pour améliorer la précision de GBAR en réduisant la dispersion en vitesse des atomes d'antihydrogène.

Collisions between ultracold atoms and material surfaces are characterized by the reflection of the atomic matter wave from the attractive Casimir-Polder potential. This quantum reflection is particularly relevant to experiments such as GBAR, which will determine the gravitational acceleration of a cold antihydrogen atom by timing its fall onto a detection plate. In this thesis, the Casimir-Polder potential is computed from the electromagnetic scattering properties of the atom and surface and it is found to depend notably on the dielectric response, thickness and density of the medium. We show that reflection on this potential is associated with a breakdown of the semiclassical approximation and that it is enhanced for slow atoms and weak potentials. Liouville transformations relate Schrödinger equations with different potential landscapes but identical scattering properties. We gain new insights on the problem of quantum reflection on a potential well by mapping it onto an equivalent problem of tunneling through a wall. We also discuss the effect of gravity on the atomic wavepacket and its implications for free fall experiments with atoms. When combined with quantum reflection from a horizontal mirror, gravity can be used to trap particles in long lived states with promising applications for metrology. In particular, we suggest a scheme to improve the precision of the GBAR experiment by reducing the velocity dispersion of the falling atoms.