Cohérence temporelle de la lumière diffusée par un large nuage d'atomes froids : de la relation de Siegert à la génération d'état non-classique

Temporal coherence of light scattered by a large cloud of cold atoms : from Siegert's relation to non-classical state generation

• Auteur / Autrice : Martial Morisse
• Direction : Mathilde Hugbart, Robin Kaiser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/01/2025
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Patrizia Vignolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathilde Hugbart, Patrizia Vignolo, David Clément, Arno Rauschenbeutel, Jean-Baptiste Trebbia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Clément, Arno Rauschenbeutel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Atomes froids

Cohérence (optique)

Mots clés libres

Corrélations d'intensité

Atomes froids

Optique quantique

Intensity correlations

Cold atoms

Quantum optics

Résumé

Dans ce manuscrit, les cohérences temporelles d'ordre 1 et 2 de la lumière diffusée par un large nuage d'atomes refroidis à une température de l'ordre de la centaine de micro-Kelvin sont étudiées. Pour cela, un nuage d'atomes de rubidium est illuminé par une sonde optique résonante et la lumière diffusée est collectée dans différentes configurations. En l'absence de champ additif cohérent et pour un grand nombre de diffuseur indépendants, ces cohérences sont liées par la relation de Siegert : g(2)(τ ) = 1 + |g(1)(τ )|². Signature de la nature gaussienne des fluctuations du champ électrique, cette relation est observée dans différents régimes de saturation en variant l'intensité de la sonde incidente. La transition entre le régime « classique », où l'indépendance est assurée par le mouvement thermique des émetteurs, et le régime « quantique », où l'aléa est inhérent au processus de diffusion incohérent -l'émission spontanée- a ainsi pu être observée. Cette transition, matérialisée par une diminution du temps de cohérence, est quantitativement en bon accord avec un modèle théorique simplifié incluant uniquement les diffusions cohérente et incohérente et l'élargissement Doppler en diffusion simple. Pour une largeur Doppler assez faible - et donc des atomes assez froids-, la courbe de l'évolution du temps de cohérence en fonction du paramètre de saturation présente deux plateaux distincts, correspondants aux régimes de saturation faible et fort. Enfin, la possibilité d'observer sur cette expérience du dégroupement photonique (antibunching en anglais) dans la lumière diffusée est étudiée. L'adaptation d'un modèle théorique unidimensionnel à notre nuage tridimensionnel ainsi qu'une configuration atomique spatiale asymétrique réduisant la diffusion multiple incohérente sont ainsi présentées.

In this manuscript, the first and second order temporal coherences of light scattered by a cloud of atoms cooled to a temperature of a few hundred micro-Kelvin are studied. To this end, a cloud of rubidium atoms is illuminated by a resonant optical probe and the scattered light is collected in different configurations. In the absence of a coherent additive field and for a large number of independent scatterers, these coherences are related by the Siegert's relation: g(2)(τ ) = 1 + |g(1)(τ )|². This relation is a signature of the Gaussian nature of electric field fluctuations, and can be observed for different saturation regimes by varying the incident probe intensity. The transition between the « classical » regime, where independence of the scatterers is ensured by their thermal motion, and the « quantum regime», where randomness is inherent in the incoherent scattering process - spontaneous emission - has thus been observed. This transition, characterized by a decrease in coherence time, is quantitatively in good agreement with a simplified theoretical model including only incoherent scattering and Doppler broadening with single scattering. For small Doppler widths - and therefore cold atoms - the evolution of the coherence time as a function of the saturation parameter shows two distinct plateaus, corresponding to the low and high saturation regimes. Finally, the possibility to observe photonic antibunching in scattered light is being investigated. The adaptation of a one-dimensional theoretical model to our three-dimensional cloud and an asymmetric spatial atomic configuration reducing incoherent multiple scattering are presented.