Construction d'une expérience de Condensat de Bose-Einstein de 41K pour l'étude du rotateur frappé atomique

Construction of a 41K Bose-Einstein condensate experiment for the study of the atomic kicked rotor

• Auteur / Autrice : Maxime Denis
• Direction : Radu Chicireanu, Pascal Szriftgiser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM)
• Jury : Président / Présidente : Stephan De Bièvre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Dubessy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Saïda Guellati-Khelifa, Franck Pereira Dos Santos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaos quantique

Condensation de Bose-Einstein

Atomes froids

Mots clés libres

Rotateur frappé

Impulsions laser nanosecondes

Potassium 41

Résonance de Feshbach

Piège magnéto-optique

Bose-Einstein condensate

Disordered quantum systems

Cold atoms

Kicked rotor

Pulsed laser system

Résumé

Ce manuscrit présente la réalisation d'un dispositif expérimental permettant de produire des condensats de Bose-Einstein de potassium 41. Cette expérience a été construite dans le but d'étudier le modèle du rotateur frappé en présence d'interactions. Le choix du potassium 41 pour cette expérience est motivé par deux raisons. La première est que la longueur de diffusion de cet atome est positive (ce qui permet une condensation aisée) et qu'il possède des résonances de Feshbach accessibles. La seconde est que les longueurs d'ondes de ses transitions de refroidissement peuvent être générées par des sources lasers fibrées puissantes du domaine télécom doublées en fréquence. Cela a pour avantage de pouvoir fabriquer des systèmes lasers stables et robustes pour les étapes de refroidissement laser et de piégeage optique du potassium 41. La particularité de notre système réside dans la génération de fréquence qui a lieu en amont des étapes d'amplification à haute puissance et de doublage en fréquence. Le développement de ces bancs lasers agissant sur les deux transitions de refroidissement D1 et D2 a permis de mener à bien les étapes de refroidissement laser. Grâce à ces bancs lasers, un piège magnéto-optique rassemblant 3x10^(9) atomes a été obtenu. La compression et le refroidissement avec une mélasse grise de ce piège magnéto-optique a permis d'atteindre une température de 16 µK et une densité dans l'espace des phases de 10^(-6). Les étapes de refroidissement évaporatif qui suivent sont réalisées successivement avec un piège quadrupolaire, un piège hybride (piège quadrupolaire + piège optique) et pour terminer un piège optique croisé. Des condensats de 500 000 atomes ont été observés dans ce piège optique croisé. Nous avons aussi identifié des résonances de Feshbach qui permettront le contrôle des interactions. Pour l'étude du rotateur frappé, un système laser pulsé original a été conçu en parallèle. La réalisation de ce système a été faite à partir d'un laser pulsé télécom amplifié à haute puissance doublé en fréquence. Ce système produit des pulses laser proches infrarouge avec des impulsions de 10 ns, une fréquence de répétition comprise entre 100 kHz et 500 kHz et une puissance crête optique allant jusqu'à 350W. Ce banc laser pulsé nous a permis de réaliser les premières expériences du rotateur frappé de cette expérience. Un contrôle des interactions avec les résonances de Feshbach identifiées nous permettra d'étudier par la suite le modèle du rotateur frappé en présence d'interactions.

This manuscript presents the realization of an experimental device to produce Bose-Einstein condensates of potassium 41. This experiment was built to study the model of the kicked rotor in the presence of interactions. The choice of potassium 41 for this experiment is motivated by two reasons. The first is that the diffusion length of this atom is positive (allowing easy condensation) and has accessible Feshbach resonances. The second is that the wavelengths of its cooling transitions can be generated by powerful fiber laser sources in the telecom domain doubled in frequency. This has the advantage of being able to manufacture stable and robust laser systems for laser cooling and optical trapping of potassium 41. The particularity of our system lies in the frequency generation that takes place before the high power amplification and frequency doubling stages. The development of these laser benches acting on the two cooling transitions D1 and D2 enabled the laser cooling stages to be completed. Thanks to these laser benches, a magneto-optical trap gathering 3x10^(9) atoms was obtained. Compression and cooling with grey molasses of this magneto-optical trap allowed to reach a temperature of 16 µK and a density in the space of phases of 10^(-6). The following evaporative cooling steps are carried out successively with a quadrupolar trap, a hybrid trap (quadrupolar trap + optical trap) and to finish a crossed optical dipole trap. Condensates of 500,000 atoms were observed in this crossed optical dipole trap. We also identified Feshbach resonances that will allow the control of interactions. For the study of the kicked rotor, an original pulsed laser system was designed in parallel. The realization of this system was made from a high-power amplified telecom pulsed laser doubled in frequency. This system produces near infrared pulses at a repetition frequency between 100 kHz to 500 kHz with peak optical power up to 350W. This pulsed laser bench allowed us to perform the first experiments of the kicked rotor from this experiment. A control of the interactions with the identified Feshbach resonances will allow us to study the model of the kicked rotor in the presence of interactions.