Conception et construction d'une expérience d'atomes froids : vers un condensat de sodium sur puce

Dany Ben Ali

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Dans cette thèse, nous décrivons les premières étapes de la construction d'une expérience de condensation d'atomes de sodium. À terme, le dispositif intégrera une puce à atomes qui permettra d'étudier la dynamique hors équilibre de gaz quantiques de dimensionnalité réduite, ainsi que leur dynamique de relaxation. Le montage expérimental est constitué d'un système laser stabilisé en fréquence sur une raie de l'iode, ainsi que d'une enceinte à ultra-vide. Cette dernière comporte un four produisant un jet atomique effusif qui est décéléré dans un ralentisseur Zeeman à aimants permanents. Nous obtenons alors un flux de 2 x 10^8 atomes/s, ce qui nous permet de charger près de 10^9 atomes dans un piège magnéto-optique. Durant la caractérisation du ralentisseur Zeeman, nous avons mis en évidence un mécanisme de redistribution des populations atomiques vers l'état |F = 1> en amont du ralentisseur, induit par l'interaction avec le faisceau Zeeman. Après avoir confirmé ces observations par une résolution numérique des équations de Bloch optiques, nous avons mis en place un faisceau laser avec deux composantes de fréquence permettant de préparer initialement les atomes dans le sous-niveau |F = 2, mF = −2> pour les préserver de cet effet. Enfin, nous avons conçu un dispositif de transport magnétique permettant d'acheminer les atomes depuis l'enceinte du piège magnéto-optique vers l'enceinte du condensat. Des simulations de dynamique moléculaire nous ont permis de déterminer une séquence temporelle pour le déplacement du nuage performante, autorisant un transport de 65 cm en 1s.

Mots clefs : condensation de Bose-Einstein ; puce à atomes ; ralentisseur Zeeman ; aimants permanents ; transport magnétique ; dynamique moléculaire

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Design and construction of a cold atoms experiment: towards sodium condensates on a chip

In this thesis, we describe the early stages in setting up a new experiment which aims at producing sodium Bose-Einstein condensates. The final apparatus will integrate an atom chip, enabling us to study the non-equilibrium dynamics of low-dimensional quantum gases, as well as their relaxation dynamics. The experimental setup comprises a laser system locked to an iodine rovibronic transition, and an ultra-high vacuum chamber. The latter consists of an oven producing an effusive atomic beam, which is decelerated in a Zeeman slower made with permanent magnets. We thus obtain a flux of 2 x 10^8 atoms/s, allowing the efficient loading of a magneto-optical trap containing up to 10^9 atoms. During the slower optimization, we observed a redistribution of the atomic populations from the |F = 2> state to the |F = 1> state before the entrance of the Zeeman slower. This depumping mechanism, induced by the interaction of the atoms with the slowing beam, has been confirmed by the numerical resolution of the optical Bloch equations describing the system. To circumvent this effect, we now prepare the atoms before the entrance of the slower in the |F = 2, mF = −2> magnetic substate with a two-frequency light beam. Finally, we designed a magnetic transport system to transfer the atoms from the magneto-optical trap chamber to the condensate chamber. Based on the results of molecular dynamics simulations, we found a performing temporal sequence to move the magnetic trap, and we intend to efficiently transport the atoms over 65 cm in about 1 s.

Keywords: sodium ; Bose-Einstein condensation ; atom chip ; Zeeman slower ; permanent magnets ; magnetic transport ; molecular dynamics

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