Étude des interactions dipolaires induites par la lumière dans des ensembles d'atomes froids

Study of light-induced dipolar interactions in cold atoms assemblies

• Auteur / Autrice : Ludovic Brossard
• Direction : Antoine Browaeys
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/02/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Charles Fabry / Optique Quantique
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Charron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathilde Hugbart, Athanasios Laliotis, Yvan Sortais, Franck Pereira Dos Santos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathilde Hugbart, Athanasios Laliotis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lumière -- Diffusion

Interactions laser-matière

Atomes froids

Électromagnétisme

Optique quantique

Mots clés libres

Super-Radiance

Effets collectifs

Interactions dipôle-Dipôle

Sub-Radiance

Diffusion de la lumière

Atomes froids

Superradiance

Collective effects

Subradiance

Dipole-Dipole interactions

Cold atoms

Light scattering

Résumé

Notre équipe étudie le comportement collectif d’un gaz d’atomes en présence d’interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d’onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l’effet du champ laser, et les dipôles induits interagissent entre eux via le champ qu’ils rayonnent. Cette interaction est d’autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considérablement le comportement radiatif de l’ensemble atomique, voire empêcher l’excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, un nuage d’atomes dense peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d’un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l’excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d’autres sont au contraire sub-radiants.Afin d’étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm³. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l’ordre de 100 nm, est proche de la longueur d'onde réduite. Enfin, l’élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l’observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons observé expérimentalement les effets de ces interactions, mais l'accord avec la théorie ne semble être, jusqu'à présent, que qualitatif (malgré nos efforts pour nous soustraire de la structure interne des atomes).Nous avons donc décidé de construire une deuxième version du dispositif expérimental. Cette ambitieuse deuxième version dispose à présent de deux axes optiques haute résolution. En plus de résoudre certains problèmes expérimentaux présent dans la précédente version, elle ouvre la voie à de nouvelles expériences pour étudier les interactions dipolaires: nouveaux régimes de densité et nouvelles configurations atomiques comme les chaînes d'atomes.

Our team studies the collective behaviour of an atomic gas in the presence of dipole-dipole interactions. These interactions appear when the atoms are illuminated by a laser of wavelength lambda that is nearly resonant with an atomic transition : the atoms are polarized by the laser field, and the induced dipoles interact with each other through the field they radiate. This interaction becomes stronger when the atoms are closer to each other, and can considerably perturb the radiative behaviour of the atomic ensemble, or even prevent the simultaneous excitation of several atoms. For instance, a dense atomic cloud can behave like an optical cavity without any mirrors : the laser can excite certain radiation modes, each with its own frequency and life time, which are different from those of an individual atom. Some of these collective modes are super-radiant (the atomic cloud re-emits the stored excitation faster than an individual atom), others are sub-radiant.In order to study these phenomena, our team has built an experiment that allows the trapping of 1 up to ~500 cold rubidium atoms in a laser trap of ~1µm³ in size. We excite the atoms close to the transition at 780nm. The size of the atomic cloud, on the order of 100 nm, is close to the reduced wavelength. Also, the Doppler broadening of the atomic transition is negligible (cold atoms). The situation is therefore nearly ideal for the observation of the collective radiation modes. We observed the effects of these interactions, but no quantitative agreement with theory has been obtained so far (despite our efforts to simplify the internal atomic structure).We have thus decided to build a second version of the experimental apparatus. This challenging second version now possesses two high resolution optical axes. Not only solving some experimental problems of the previous version, it opens the road to new kind of experiments to study dipolar interactions: new regime of densities and new kind of geometries, as 1D chain of atoms for instance.