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Page modifiée le lundi 08 septembre 2014

Thèmes généraux

Spectroscopie d'une vapeur atomique au voisinage d'une interface : 

  • Etude fondamentale des propriétés optiques d'un atome libre au voisinage d'une surface, notamment de l'interaction van der Waals entre atome et surface, y compris dans un vide à température non nulle, et couplage aux modes de surface.
  • Confinement à une échelle sub-micrométrique, notamment dans les interstices d'opales (confinement tridimensionnel), ou avec des cellules d'épaisseur sub-micrométrique Etude théorique de l'interaction entre un atome et un champ optique possédant une structure spatiale complexe à l'échelle de la longueur d'onde (incluant faisceaux propagatifs de type Laguerre-Gauss focalisés, et nano-optique) et relation aux transitions atomiques "quasi-interdites" (au delà du dipolaire électrique) et aux propriétés de chiralité.

Présentation générale

L'équipe "Spectroscopie atomique aux interfaces" étudie principalement, à partir des méthodes de spectroscopie laser sub-Doppler en phase vapeur, les effets du confinement d'une vapeur atomique au voisinage d'une paroi. Les effets sont individuels (modification des transitions pour un atome), et collectifs (modification de l'élargissement Doppler inhomogène de la vapeur).

La spectroscopie de réflexion à une interface ("réflexion sélective") permet de sonder une profondeur typique de l'ordre de l/2p soit couramment ~100 nm pour nos expériences. Cette méthode nous a permis d'étudier abondamment les effets de l'attraction de surface van der Waals, dont le potentiel évolue avec la distance en - C3i z-3, où z est la distance atome-surface, et où C3i est un coefficient dépendant du niveau atomique |i>.

Cette interaction, souvent décrite comme une interaction dipôle-dipôle entre fluctuations de l'atome et fluctuations de son image, peut aussi s'interpréter (approche "Cavity QED") comme une renormalisation par les fluctuations du vide, dont les conditions aux limites ont été imposées par la paroi. L'interaction van der Waals apparaît alors comme la limite aux courtes distances, ou électrostatique, de l'interaction "Casimir-Polder". Notre approche purement optique permet d'étudier les atomes excités, plus sensibles à l'interaction, et le couplage avec les modes de surface (modes polaritons). Ces modes, situés dans l'infrarouge plus ou moins profond, peuvent se coupler de façon résonnante avec des transitions virtuelles de l'état atomique excité considéré, et exalter l'interaction, qui peut devenir répulsive [1]. Dernièrement, nous avons réussi à mettre en évidence une variation notable (50 %) de cette interaction selon la température du vide [2], dans un système Cs(7D3/2)/saphir (figure 1). Les effets d'excitation thermique des modes de surface apparaissent essentiels [3-5], et l'atome est en quelque sorte une sonde quantique du champ proche émis par un matériau chauffé, qui serait sensibement un "corps noir" en champ lointain.

Après avoir développé des méthodes de spectroscopie avec des cellules d'épaisseur nanométrique (confinement à une dimension, construction des cellules par le groupe de D. Sarkisyan, en Arménie), qui ont notamment permis de mesurer la dépendance en distance de l'interaction de surface [6], nous nous intéressons actuellement à la spectroscopie d'une vapeur confinée de façon tridimensionnelle [7]. Nous nous intéressons à des vapeurs atomiques infiltrées dans les interstices d'une opale de nanobilles (empilement cristallin de sphères de silice). Il s'agit d'un confinement assez régulier de type cristal photonique, malgré les imperfections propres à l'auto-organisation des opales. Nous avons pu rendre opérationnelle, malgré la formation intempestive d'agrégats, une cellule de vapeur alcaline infiltrée dans une opale de quelques couches (dépôt de type Langmuir-Blodgett, par l'équipe de S Ravaine au CRPP-Bordeaux). Un résultat marquant [8] est que nous observons un signal spectroscopique venant des régions interstitielles, qui présente, pour des incidences variées, une composante sub-Doppler (figure 2). Cette contribution étroite, obtenue en régime linéaire d'interaction, est évocatrice d'un rétrécissement Dicke similaire à celui connu en régime micro-ondes (avec confinement sub-? par un gaz tampon), mais ici accessible dans le domaine optique. Nous travaillons actuellement à mieux comprendre tant le signal atomique sub-Doppler, que l'optique particulière de ces opales déposées sur une fenêtre, avec un nombre de couches contrôlé. Nous avons récemment modélisé ce problème par une approche de couches minces et d'indice effectif (ArXiv 1407.5777). En outre, dans le cadre d'une collaboration avec nos partenaires Uruguayens, nous étudions le confinement d'une vapeur atomique dans un milieu poreux aléatoire par un diagnostic sur la lumière diffusée [9, 10].

Dans des travaux restés jusqu'ici théoriques, nous avons montré, avec le cas des faisceaux Laguerre-Gauss très focalisés, qu'une interaction (non dipolaire électrique) atome-champ est détectable là où le champ électrique est localement nul [11]. En parallèle, des travaux théoriques spécifiques abordent également de façon plus générale les propriétés d'interaction d'atome avec des nano-objets, éventuellement chiraux [12].

 

[1] H. Failache, S. Saltiel, M. Fichet, D. Bloch, M. Ducloy (a) Resonant van der Waals Repulsion between Excited Cs Atoms and Sapphire Surface Phys. Rev. Lett., 83, 5467--5470 (1999); (b) Resonant coupling in the van der Waals interaction between an excited alkali atom and a dielectric surface an experimental study via stepwise spectroscopy. Eur. Phys. J. D 23, 237-255 (2003).

[2] A. Laliotis, T Passerat de Silans, I. Maurin, M. Ducloy, D. Bloch, Casimir-Polder interactions in the presence of thermally excited surface modes. Nature Comm. 5, 4364 (2014).

[3] M.-P. Gorza and M. Ducloy, Van der Waals interactions between atoms and dispersive surfaces at finite temperature, Eur. Phys. J. D. 40, 343-356 (2006). 

[4] T. Passerat de Silans, I. Maurin, P. Chaves de Souza Segundo, S. Saltiel, M.P. Gorza, M. Ducloy, D. Bloch, D. Meneses de Souza, P. Echegut, Temperature dependence of the dielectric permittivity of CaF2 , BaF2 and Al2O3 : application to the prediction of a temperature-dependent van der Waals surface interaction exerted onto a neighbouring Cs(8P3/2) atom. J. of Phys.: Condens. Matter 21, 255902 (2007).

[5] A. Laliotis, T. Passerat de Silans, I. Maurin, M-P. Gorza, S. Saltiel, M.P. Gorza, M. Ducloy, D. Bloch, Experimental observations of temperature effects in the near field regime of the Casimir-Polder interaction Laser Physics 24, 074009 (2014) .

[6] M. Fichet, G. Dutier, A. Yarovitsky, P. Todorov, I. Hamdi, I. Maurin, S. Saltiel, D. Sarkisyan, M.-P. Gorza, D. Bloch, M. Ducloy, Exploring the van der Waals Atom-Surface attraction in the nanometric range, Europhys. Lett., 765.

[7] G. Dutier, A. Yarovitsky, S. Saltiel, A. Papoyan, D. Sarkisyan, D. Bloch, M. Ducloy, Collapse and revival of Dicke-type coherent narrowing in a sub-micron thick vapour cell transmission spectroscopy, Europhys. Lett., 63, 35-41 (2003). 

[8] P. Ballin, E. Moufarej, I. Maurin, A. Laliotis, D. Bloch, (a) Three-dimensional confinement of vapor in nanostructures for sub-Doppler optical resolution, Appl. Phys. Lett. 102, 231115 (2013), and also (b) Sub-Doppler optical resolution by confining a vapour in a nanostructure, Proc. of SPIE 8770, 87700J (2013).

[9] S. Villalba, H. Failache, A. Laliotis, L. Lenci, S. Barreiro, A. Lezama, Rb optical resonance inside a random porous medium, Opt. Lett. 38, 193 (2013).

[10] S. Villalba, A. Laliotis, L. Lenci, D. Bloch, A. Lezama, H. Failache, Sub-Doppler resonances in the back-scattered light from random porous media infused with Rb vapor, Phys Rev A 89, 023422 (2014)

[11] V.V. Klimov, D. Bloch, M. Ducloy, J.R. Rios Leite (a) Detecting photons in the dark region of Laguerre-Gauss beam, Opt. Express 17, 9718-9723 (2009) ; (b) Mapping a focused Laguerre-Gauss beam : Detector dependence and interplay between spin and orbital angular momentum, Phys. Rev. A 85, 053834 (2012).

[12] V. V. Klimov, D. V. Guzatov, M. Ducloy, Engineering of radiation of optically active molecules with chiral nano-meta-particles, EPL, 97, 47004 (2012).

 

Pour les liens avec les publications actualisées du groupe : cf onglet "publications".

Evolution de la mesure du coefficient d'interaction van der Waals C3 pour Cs(7D3/2) au voisinage d'une surface de saphir en fonction de la température de celle-ci, et comparaison avec le modèle théorique, pour lequel on tient compte des incertitudes tant sur la modélisation des modes résonnants du saphir, que sur les probabilités de transitions atomiques entrant dans le calcul.

Figure 1 :
Evolution de la mesure du coefficient d'interaction van der Waals C3 pour Cs(7D3/2) au voisinage d'une surface de saphir en fonction de la température de celle-ci, et comparaison avec le modèle théorique, pour lequel on tient compte des incertitudes tant sur la modélisation des modes résonnants du saphir, que sur les probabilités de transitions atomiques entrant dans le calcul.

Spectre FM de spectroscopie de réflexion (lambda = 894 nm) sur une cellule de vapeur de Cs, dont la fenêtre est recouverte d'une fine opale (10 couches) de billes de verre (diamètre = 1 micron), pour différentes incidences (angle externe). On observe une contribution sub-Doppler, de forme variable, sur une large plage d'incidence, centrée sur la référence d'absorption saturée ("SA ref"). (NB : pour un spectre "FM", une modulation de fréquence -"FM", est appliquée, et une détection synchrone produit la dérivée en fréquence du spectre, exaltant les contributions étroites).

Figure 2 :
Spectre FM de spectroscopie de réflexion (lambda = 894 nm) sur une cellule de vapeur de Cs, dont la fenêtre est recouverte d'une fine opale (10 couches) de billes de verre (diamètre = 1 µm), pour différentes incidences (angle externe). On observe une contribution sub-Doppler, de forme variable, sur une large plage d'incidence, centrée sur la référence d'absorption saturée ("SA ref"). (NB : pour un spectre "FM", une modulation de fréquence -"FM", est appliquée, et une détection synchrone produit la dérivée en fréquence du spectre, exaltant les contributions étroites).



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