Saïda GUELLATI-KHELIFA
Laboratoire Kastler Brossel(CNRS-UPMC-ENS)
Conservatoire National des Arts et Métiers
Manipulation d’atomes par laser et métrologiedes constantes fondamentales
L’atome est universel
Appareil de mesure universel
Interroger un seul atome ?
Dans la nature, un atome n’est jamais seul…
Nv
Comment se procurer les atomes pour une expérience de physique atomique?
V = 700 m/sDispersion en vitesse Agitation thermiqueT
SOLUTION Refroidir les atomes par laserT. W. Hänsch and Schawlow, Opt. Comm. 13, 68 (1975)
D. Wineland and H. Dehmelt, Bul. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975)
Effet « mécanique » de la lumière sur les atomesManifestation macroscopique
Kepler 1619
Effet « mécanique » de la lumière sur les atomes
Absorption + émission spontanée
Eff
Eee
Photon (ħk, h)
Eff
EeeEe – E f = h
v = ħ k /M = vr
Eff
Eee
Photon (ħ k, h)
Atome + Laser : Force de pression de radiation
Accélération = 100 000 g
22 /42 Γs1
s
Γ
0
0
Vkωω
kVF
LLat
Condition de résonance
L - kL v (z) = at
Ralentissement d’un jet atomique par balayage de fréquence
Refroidissement Doppler
< at< at
Milieu « optiquement » visqueux Mélasse optique
Force de friction F = - V
Piége magnéto-optique
f (J = 0)
e (J = 1)m = -1m = 0m = +1
m = 0
position
+ -
F = - V – r
Mélasse à 3DEffet Doppler
PiégeageEffet Zeeman
Quelques ordres de grandeurs
Piège +
refroidissement Doppleret sub-Doppler
n = 1010 atomes/cm3
T ≈quelques Kelvin
• Horloge atomique
• Mesure de la constante de structure fine
• Interférométrie atomique
l’Horloge atomique
La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux
niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de Césium
Oscillateur à Oscillateur à QuartzQuartz
MultiplicateurMultiplicateurde fréquencede fréquence
Boucle de rétroactionBoucle de rétroaction
Ef f
Eee
P ()Résonateur atomiqueRésonateur atomique
Réponseatomique
Signal d’erreur
Signal d’interrogation
Principe de double interrogation: Ramsey
détecteurdétecteurFourFour
Tδν
2
1
A la quête de l’exactitude des expériences de dimensions surhumaines
Fontaine atomique == un jet atomique vertical
Fontaine atomique de Zacharias (MIT 1953)
V = 100 m/s
La hauteur de la fontaine500 m
Nv
Fontaine à atomes froids (1990)
L’horloge la plus précise au monde(SYRTE)
1 s tous les 20 millions
d’années!!
Limite : accélération de la pesanteur
Projet d’Horloge Atomique par refroidissement d’Atomes en Orbite + ACES
Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,..
Dérive dans le temps de la constante de structure fine
Chronométrage des pulsars millisecondes: génération d’ondes gravitationnelles
Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale
quantum Hall effect
137.035 990 137.036 000 137.036 010
hfs muonium
h / m(neutron)
h / m(Cs)
QED
h / m
Solid statephysics
g – 2 of the electron (UW)
-1
’ p,h-90
h / m(Rb)
RK=h/e2=0c/2
ae = f (/)
mv=h/g – 2 of the electron (Harvard)
vr=ħk/m Xmh
)e(AXA
cR2
r
r2
CODATA 2002 P. Mohr and B. Taylor, RMP, 77 (2005)G. Gabrielse et al, PRL, 97, 030802, 2006
Déterminations de la constante de structure fine Codata = Committee on DATA for science and technology
c4e
0
2
Mesure de la vitesse de recul : difficultés
λ m
h rv
vr (Rb) ≈ 6 mm/S
Emission spontanée
Difficultés
L’atome gagne 2 fois la vitesse de reculTransition sélective en vitesse
e
ab
Mk k
Absorption + émission stimulée
Transition Raman séléctive en vitesse
N 2ħk
Accélération cohérente
mesure(Transition Raman)
sélection (Transition Raman)
Principe de l’expérience
Incertitude finale vr = v / (2N)
F=1
87Rb
F=15S1/2 F=2
5P3/2
F=2F=1
Etot
2ħk p
Accélération cohérente dans un réseau optique
U0/2
Mk k
Transfert de ~ 2000 x vr
Determination de à 6,7 x 10-9
Caractère ondulatoire de la matière
M.Vh
M : la masse de la particule
V : Vitesse de la particule
h : constante de Planck
Temp. Vitesse de Broglie thermique (microns)
300 K 300 m/s 1 x 10-5
300 µK 30 m/s 0,01300 nK 1 cm/s 1
|a, v >
|b, v +2vr >
Interférométrie atomique
ab
c
Mk k
2)1(2cos8
1
2
1)( gTkTvkNTδbP effReffL
Mesure de h/MCs → [7 x 10-9]
Mesure de g → [3 x 10-9]
Expérience de H. Cavendish1798
(Balance de torsion)410
G
Gδ
• Navigation inertielle d’engins civilset militaires
• Détection de bunker..
• Meilleurs connaissances des structuresgéologiques (pétrole, diamants..)
• Fluctuations des niveaux des océans,climat, calotte glacière
Comment observer le condensat de Bose ?
Imagerie d’absorption
In-situ distribution spatiale dans le piège magnétiquePar temps de vol distribution de vitesse
Vérification du principe d’équivalence
Projet Hyper(Hyper-Precision
Atom Interferometry In Space )
Masse « Grave » ≈ Masse « Inerte »10-12
Théorie des cordes ?
F = 1 m = 1
F = 1 m = 0
F = 1 m = -1
h RF
Condensation de Bose-EinsteinPrix Nobel 2001
NT
N/100T/1000
n DB3 est multiplié par 107
d
Longueur d’onde thermique de Broglie
Tmkn BDB /2 23
d
Condensation de Bose Einstein
T = ambianteParticules quasi-ponctuellesd = f (n)
T ~ 1 Kd ≈ Transition de phase à
n3 = 2.612
T < Tc
Une fraction macroscopique des atomes passe dans le même état fondamental Condensation de Bose-Einstein
Limite refroidissement dissipatif n DB
= 10 -6
Prédiction en 1924... Réalisation en 1995
A. Einstein
S. Bose
Prix Nobel 2001
Boson : particule de spin entier(photon, gluon…)
Statistique de Bose-Einstein
Refroidissement évaporatif(pas de force de friction: non dissipatif)
( est le spin de l’atome)
x
W B
BW
Collision élastique
thermalisation
élas / inelas> 150
Signature de la condensation de Bose-EinsteinQuelques millions d’atomes dans un piège magnétique anisotrope
Temps de volGaz
de Boltzmann Condensat
0.5 à 1 K
100 m * 5m
kTmVi 2
1
2
1 2 4
1
2
1 2 i
mV
Sans interaction
1000 atomes de Rubidium dans l’état fondamental du
Piège magnétique
Comment mesurer la température ?C.Salomon, J. Dalibard, W. Phillips, A. Clairon, S. Guellati, Europhys. Lett. 12, 683 (1990)
Source cohérente d’atomes interférométrie atomique
Projet d’Horloge Atomique par refroidissement d’Atomes en Orbite + ACES
Disséminer une échelle de temps ulta-stable avec une couverture mondiale
Tests fondamentaux de la relativité générale: décalage des fréquences vers le rouge, anisotropie de c,..
Dérive dans le temps de la constante de structure fine
Chronométrage des pulsars millisecondes: génération d’ondes gravitationnelles
Etot
2ħk p
M. Ben Dahan et al , Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 4508.
Accélération cohérente : approche des oscillations Blcoh
U0/2
~ 2000 x vr à 6,7 x 10-9
Expérience de Stanford
2)1(2cos8
1
2
1)( gTkTvkNTδbP effReffL
Mesure de h/MCs → [7 x 10-9]
Mesure de g → [3 x 10-9]
|a, v =0 >
|b, v = 3 vr >
2 2
2
T
T
|a, v= 4 vr >
2|b >
|a >
~ 450 oscillations de Bloch Efficacité de transfert >99.95%
10-7
-11 point = 4 spectres (20 mn)
72 valeurs
Incertitude statistique sur de 4.4£10-9
Nouvelle détermination de
Cladé et al, PRL, 96 (2006) 033001
Succession de transitions Raman stimulées(même niveau hyperfin)
F=1
2Mk k
2vr
Impulsion
Ene
rgy
h
h2
0
rvk2
rvk10
k2
rvk6
k6k4k2
2 vr par cycle
Accélération cohérente des atomes : approche simple
t 21
Incertitude sur = 6.7 10-
9