Présentation
EnglishRÉSUMÉ
L’optique et l’interférométrie atomique ont considérablement fait progresser le refroidissement d’atomes par laser. Des applications spectaculaires comme la lithographie atomique, les senseurs inertiels atomiques et les horloges atomiques s’en trouvent considérablement améliorées. L’article s’attarde sur le fonctionnement de ces deux derniers systèmes, pour lesquels le ralentissement des atomes induit un accroissement du temps d’interaction, tandis que leur refroidissement autorise une augmentation du contraste des franges d’interférence.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Philippe BOUYER : Chargé de recherche au CNRS - Groupe d’optique atomique, laboratoire Charles-Fabry, Institut d’optique (Orsay)
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Arnaud LANDRAGIN : Chargé de recherche au CNRS - Systèmes de référence temps-espace (SYRTE), Observatoire de Paris
INTRODUCTION
Depuis les années 1980, le domaine du refroidissement d’atomes par laser a pris une importance considérable et a entraîné, outre l’attribution du prix Nobel en 1998 à C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips et S. Chu, l’essor d’un nouveau domaine : l’optique et l’interférométrie atomiques. Dès 1990, on a vu apparaître un grand nombre d’expériences de principe montrant que l’optique atomique était une réalité présentant un fort potentiel, tant pour la physique fondamentale que pour les applications.
Tout particulièrement, outre les horloges atomiques à atomes froids, deux domaines supplémentaires d’applications semblaient particulièrement prometteurs. D’un côté, un nombre important de laboratoires se consacrait à la réalisation d’éléments de base de l’optique atomique, avec une mention spéciale pour les miroirs à atomes et les structures diffractives (voir les numéros spéciaux particulièrement consacrés à cette thématique comme « Journal of the Optical Society of America B » [1] ou « Special Issue on Atom Optics of Appl. Phys. B » [2] qui offre un recueil des publications des meilleurs groupes de recherche dans le monde). La possibilité de diriger et surtout de focaliser un faisceau d’atomes ouvrait alors la voie à une application potentiellement spectaculaire : la lithographie atomique. Dans ce domaine particulier, l’idée était d’utiliser une figure d’interférence optique pour exercer des forces très localisées sur les atomes et ainsi reproduire la figure optique sur le faisceau atomique.
Le domaine particulier de l’interférométrie atomique a lui aussi évolué rapidement. Après les premières démonstrations, le domaine s’orientait vers l’exploration de nouveaux types d’interféromètres. La sensibilité extrême de ces appareils permettait d’utiliser ces interféromètres pour mettre en évidence des effets spectroscopiques, des effets spécifiques à l’évolution des ondes de matière, ou à la mesure de constantes fondamentales.
Mais c’est une autre application qui se révèle très prometteuse pour l’avenir : les senseurs inertiels atomiques [3].
Un autre événement important est ensuite venu révolutionner le domaine de l’optique et de l’interférométrie atomiques. En effet, l’année 1995 a vu le succès de la réalisation de condensats de Bose-Einstein à partir d’un gaz dilué qui a été célébré par le prix Nobel de E. Cornell, W. Ketterle et C. Weiman en 2001. Un tel condensat est obtenu lorsqu’un nuage de bosons à faible densité est refroidi à une température telle que la longueur d’onde de De Broglie thermique est de l’ordre de la distance interatomique. Dans un tel état, tous les atomes sont dans le même mode quantique (un tel phénomène avait déjà été observé dans les superfluides et les supraconducteurs mais jamais dans les gaz dilués). On peut donc aujourd’hui utiliser dans les interféromètres atomiques une source cohérente d’ondes atomiques, analogue au laser qui est une source cohérente d’ondes électromagnétiques [4].
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Présentation
1. Techniques de refroidissement des atomes
1.1 Interaction entre lumière et matière
L’action mécanique de la lumière sur les objets matériels avait été pressentie dès le début du XVIIe siècle par Kepler. Il expliquait ainsi que si la queue des comètes est toujours orientée à l’opposé du Soleil, c’est à cause de la pression exercée par la lumière solaire sur les particules qui composent cette queue. Même si l’explication actuelle de ce phénomène est plus complexe, elle est toujours qualitativement basée sur l’échange d’impulsion entre le rayonnement et la lumière. C’est le même phénomène qui peut conduire à un refroidissement (affinement de la vitesse autour d’une vitesse moyenne) ou à un piégeage (confinement dans l’espace) des atomes par laser.
Une toute première expérience mettant en évidence l’action de la lumière sur les atomes fut réalisée par R. Frisch [5] : un jet d’atomes de sodium était dévié sous l’effet du rayonnement d’une lampe à décharge de sodium. La vitesse de recul , c’est-à-dire la vitesse induite par l’absorption ou l’émission d’un photon de pulsation ω = kc (M est la masse de l’atome considéré et k le nombre d’onde angulaire) est de l’ordre de quelques centimètres par seconde. L’observation de ces phénomènes restait donc difficile dans les conditions de Frisch car les vitesses mises en jeu étaient beaucoup plus faibles que les vitesses thermiques à température ambiante (quelques centaines de mètres par seconde). La découverte de l’effet laser puis l’avènement des lasers continus accordables [6], capables de saturer une transition atomique permise, comme une raie de résonance, et par conséquent de répéter ce processus élémentaire un grand nombre de fois par unité de temps, a permis de réaliser des expériences spectaculaires en agissant de façon appréciable sur les degrés de liberté externes de l’atome. Par exemple, un atome placé dans un faisceau laser est poussé dans la direction de propagation de ce faisceau (encadré 1). L’accélération correspondante peut prendre...
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Techniques de refroidissement des atomes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - * - Journal of the Optical Society of America B, 2, no 11 (1985).
-
(2) - * - Special Issue on Atom Optics of Appl. Phys. B, no 54 (1992).
-
(3) - BERMAN (P.R.) (éd.) - Atom Interferometry - . Academic Press (1997).
-
(4) - WESTBROOK (C.), BOUYER (P.), MICHAUT (C.) - Le laser à atomes en quête d’un futur industriel - . La Recherche, no 367 (2003).
-
(5) - FRISCH (O.R.) - Experimentaller nachweis des einsteinschen stralungrückstoßes - . Z. Phys., 86 (42) (1933).
-
(6) - BERTOLOTTI (M.) - Masers and Lasers : An Historical Approach - . Adam Hilger, Bristol (1983).
-
(7)...
ANNEXES
LEDUC (F.) - Caractérisation d’un capteur inertiel à atomes froids - . Université Paris-Sud-11 (2004).
ABRAGALL (M.) - Évaluation des performances de la fontaine atomique PHARAO. Participation à l’étude de l’horloge spatiale PHARAO - . Université Pierre-et-Marie-Curie (2003).
LE COQ (Y.) - Condensats de Bose-Einstein et lasers à atomes - . Université Paris-Sud-11 (2002).
BIZE (S.) - Tests fondamentaux à l’aide d’horloges à atomes froids de rubidium et de césium - . Université Pierre-et-Marie-Curie (2001).
HOLLEVILLE (D.) - Conception et réalisation d’un gyromètre à atomes froids fondé sur l’effet Sagnac pour les sondes de matière - . Université Paris-Sud-11 (2001).
LEMONDE (P.) - PHARAO : étude d’une horloge spatiale utilisant des atomes refroidis par laser ; réalisation d’un prototype - . Université Pierre-et-Marie-Curie (1997).
HAUT DE PAGE
De la lumière aux atomes froids (laboratoire Kastler-Brossel) http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm
Physics 2000 (university of Colorado at Boulder) https://physicscourses.colorado.edu/2000/introduction.html
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