Emission spontanée collective par des ensembles denses d'atomes à deux niveaux

Collective spontaneous emission from dense ensembles of two-level atoms

• Auteur / Autrice : Antoine Glicenstein
• Direction : Antoine Browaeys
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/01/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Optique Quantique
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique Quantique
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Bouchoule
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Browaeys, William Guérin, Sebastian Hofferberth, Alban Urvoy, Igor Ferrier-Barbut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : William Guérin, Sebastian Hofferberth

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photons -- Émission

Superradiance

Atomes froids

Interactions photon-atome

Lumière -- Diffusion

Mots clés libres

Interactions dipôle-Dipôle

Diffusion de la lumière

Sousradiance

Atomes froids

Superradiance

Émission spontanée

Dipole dipole interactions

Spontaneous emission

Superradiance

Subradiance

Cold atoms

Light scattering

Résumé

On s’intéresse au problème de la diffusion de la lumière par un ensemble dense d’atomes froids dans le régime dit ”de Dicke”, dans lequel un grand nombre d’atomes est contenu dans un volume dont les dimensions sont plus petites que la longueur d’onde de la transition atomique. Quand la lumière a une fréquence proche de celle de l’une transition atomique, elle induit des dipôles. Dans un milieu dense, ces dipôles interagissent entre eux : chaque dipôle est excité par les champs rayonnés par les autres dipôles. Ces interactions résonantes entre les dipôles induits modifient la réponse collective de l’ensemble. En particulier, elles modifient le taux auquel l’ensemble se désexcite par émission spontanée. Une désexcitation plus rapide que celle d’un atome unique est appelée super-radiance et une désexcitation plus lente est appelée sous-radiance.Dans cette thèse, nous développons d’abord des méthodes expérimentales pour l’étude de ce problème, nous permettant de préparer, d’observer et de manipuler des nuages denses d’atomes à deux niveaux contenant plusieurs milliers d’atomes froids dans un régime proche du régime de Dicke. Nous étudions ensuite les propriétés d’émission collective de ces systèmes lorsqu’ils sont soumis à de la lumière laser résonante, pendant et après l’excitation. On observe les désexcitations super- et sous-radiantes pour la première fois dans ce régime, et on montre qu’elles sont gouvernées uniquement par le nombre d’atomes dans le nuage. Nous avons ensuite caractérisé les oscillations de Rabi collectives des ensembles d’atomes pilotés par laser. Enfin, nous démontrons un protocole pour relâcher à la demande des excitations stockées dans des états sous-radiants, ce qui est un prérequis pour des applications de stockage de la lumière. Pour conclure, on fait une synthèse des résultats obtenus et on propose des perspectives pour des recherches futures.

We are interested in the problem of light scattering by dense ensembles of cold atoms in the so-called "Dicke regime", in which many atoms are trapped in a volume whose dimensions are smaller than the wavelength of the atomic transition. When the light has a frequency close to that of the atomic transition, it induces dipoles. In a dense medium, these dipoles interact with each other: each dipole is driven by the fields radiated by the other dipoles. These resonant interactions between the dipoles modify the collective response of the ensemble. In particular, they modify the rate at which the energy of the ensemble decays by spontaneous emission. A faster decay than that of a single atom is called superradiance and a slower one is called subradiance.In this thesis, we first develop experimental methods for the study of this problem. We build an experimental system in order to prepare, observe and manipulate clouds containing several thousand cold atoms in a regime close to Dicke’s regime. We isolate a closed two-level transition to get as close as possible to the ideal model described by Dicke. We then realize a in depth-study of the collective emission properties of these systems under resonant laser light, during and after driving. We observe super- and subradiant decay for the first time in this regime and show that they are governed uniquely by the number of atoms in the cloud. We have then characterized the collective Rabi oscillations of atomic ensembles under laser driving. Finally, we demonstrate a protocol for the on-demand release of excitations stored in subradiant states, which is a prerequisite for the realization of light storage. To conclude, a synthesis of the obtained results is made and perspectives for future research are proposed.