L’atome habillé : une étude théorique et expérimentale des propriétés physiques d’atomes en interaction avec des photons de radiofréquence ^(*)

Première partie ^(**)

« Dressed atoms: a theoretical and experimental study of the physical properties of atoms interacting with radiofrequency photons. »

¹ Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l’École Normale Supérieure, 24, Rue Lhomond — F 75 - Paris 5 e, France.

Résumé

La Spectroscopie Hertzienne est un domaine de la Physique Atomique dont le développement a été très important au cours des dernières années : la résonance magnétique électronique et nucléaire, la double résonance, les transitions à plusieurs quanta, l'effet Autler-Townes, les nouvelles résonances magnétiques de cohérence, etc., constituent autant d’effets ayant donné lieu à des études et des applications multiples.

La plupart des formalismes théoriques utilisés pour interpréter ces phénomènes ont été basés sur un traitement classique du champ de radiofréquence. Ce traitement, quoique satisfaisant sur le plan des principes, ne permet pas toujours de dégager clairement l'interprétation physique des différents effets et de bien mettre en évidence l'unité des phénomènes de la résonance magnétique.

Récemment, une interprétation entièrement quantique de la Spectroscopie Hertzienne a été présentée dans laquelle le champ de radiofréquence est traité en termes de photons. Ce point de vue revient à considérer que e système physique étudié dans les expériences de spectro- scopie hertzienne est le système global constitué par l'atome en interaction avec les photons de radiofréquence que nous appelons, par analogie avec le langage de l’électrodynamique quantique, l'atome « habillé » par les photons de radiofréquence.

A partir du diagramme d'énergie de cet atome habillé, il est possible de bâtir une théorie très simple donnant un aperçu synthétique de l’ensemble des phénomènes de la résonance magnétique et permettant d'interpréter ces phénomènes en termes de processus élémentaires d'absorption et d’émission de photons de radiofréquence. Non seulement les effets classiques — résonance magnétique ordinaire à un ou plusieurs quanta, résonances de cohérence, effet Autler-Townes — trouvent dans ce point de vue une interprétation physique immédiate, mais encore la simplification apportée à la théorie par l'approche quantique permet de prévoir et de calculer des effets physiques nouveaux qui, quoique contenus dans la théorie classique, y sont masqués par la complexité formelle des calculs : c'est ainsi que l’on prévoit dans certaines conditions une modification des propriétés magnétiques du système atomique sous l'effet du couplage avec les photons de radiofréquence ; en particulier, le facteur de Landé atomique peut se trouver diminué, voire annulé en présence d’un champ de radiofréquence de polarisation et d'amplitude convenables. Diverses applications intéressantes de cet effet peuvent être envisagées : modification de l’effet Zeeman, de la dépolarisation magnétique, de la relaxation magnétique de l'atome habillé, etc... Le point de vue de l'atome habillé est également d’une grande utilité pour interpréter toute une série d'expériences que l'on peut réaliser sur un système atomique à l’aide de deux champs électromagnétiques dont l'un « habille » l'atome et peut être d'intensité quelconque et dont l’autre, de faible intensité, sert en quelque sorte de « sonde » pour explorer les niveaux d’énergie de l'atome ainsi habillé... Ce point de vue permet alors de rendre compte de façon simple et élégante d'un grand nombre d’effets non linéaires susceptibles de se manifester dans ces conditions et dont l’interprétation dans un formalisme classique serait plus compliquée (modification des fréquences de résonance atomique sous l'effet du couplage avec le champ habillant, transitions impliquant plusieurs types de photons, effet Raman, etc.).

Tous les effets nouveaux que nous venons d'évoquer ont été mis expérimentalement en évidence dans des expériences de résonance magnétique sur une vapeur atomique pompée optiquement. Les méthodes optiques de détection de la résonance hertzienne sont en effet, par leur grande finesse et leur sensibilité, particulièrement bien adaptées à l’étude expérimentale des diverses propriétés d’un atome en interaction avec un champ de radiofréquence.

L'objet de cette monographie est de donner une description simple et complète de toutes ces propriétés, en adoptant systématiquement le point de vue de l'atome habillé. De nombreux articles ont déjà été consacrés à ce sujet, mais il nous a semblé utile de réunir dans une même publication, afin de mettre clairement en évidence l'unité du sujet, une théorie générale et synthétique de l'atome habillé ainsi qu’une description de l'ensemble des expériences de pompage optique que nous avons réalisées pour illustrer cette théorie.

Abstract

Radiofrequency Spectroscopy is a field of Atomic Physics which has been growing fast during last years: electronic and nuclear magnetic resonance, double resonance, multiple quantum transitions, Autler-Townes effect, new kind of parametric magnetic resonances, etc. have been widely studied and used for various physical applications.

In most of the theoretical works dealing with these phenomena, the radiofrequency field is described in a classical way. Such a description is indeed correct with respect to first principles, but it does not always give a clear physical understanding of the various effects and does not emphasize the unity of the field of magnetic resonance phenomena.

Recently, a full quantum-mechanical interpretation of radiofrequency spectroscopy has been developped in which the radiofrequency field is described in terms of photons. In such a point of view, the physical system under study is the whole « atom + radiofrequency field » system, which is called, by analogy with quantum electrodynamics vocabulary, the atom « dressed » with radiofrequency photons.

Starting from the energy diagram of this « dressed » atom, it is possible to build up a very simple and elegant theory which gives a synthetic insight of the whole field of magnetic resonance experiments and which allows the understanding of these experiments in terms of elementary processes involving radiofrequency photons absorption or emission. This point of view not only gives an obvious physical interpretation of well known phenomena as ordinary magnetic resonance and involving one or several quanta, parametric resonances, Autler-Townes effect, and so on ... but also allows the prediction and calculation of some new physical effects; these new phenomena are indeed understandable within the classical theory, but they appear much more easily in the « dressed » atom very simple approach: for example, one can predict under some conditions a modification of the magnetic properties of the atomic system due to the coupling with radiofrequency photons; in particular, the atomic Landé factor may be reduced and even cancelled when the atom interacts with a radiofrequency field of proper polarization and amplitude. Various interesting applications of this effect may be considered: modification of the Zeeman effect, of the magnetic depolarization, of the magnetic relaxation of dressed atoms and so on... The dressed atom formalism is also very useful in order to understand a whole set of experiments one can perform on an atomic system and using two electromagnetic fields; one of these helds, which may be very strong, is considered as the « dressing » field and the other, which remains always very weak, is described as a kind of probe used to explore the energy diagram of the atom « dressed » by the stronger one. It is possible in this way to deal with various kinds of non linear effects which can take place in those circumstances and whose explanation in a classical way would be more intricate (changes in the atomic resonance frequencies due to the coupling with the dressing field, transitions involving several kinds of photons, Raman effect, and so on...).

All the new effects quoted above have been investigated by magnetic resonance experiments on optically pumped atomic vapours. Due to their accuracy and sensitivity, the optical detection methods of the radiofrequency spectroscopy prove indeed very well fitted to the experimental study of the various properties of an atom interacting with a radiofrequency field.

The purpose of this monograph is to present a simple and exhaustive description of all these properties within the framework of the « dressed » atom theory. Several papers have already been devoted to this subject; in order to emphasize the unity of this held of research, it seems however useful to give within a single publication a general and synthetic theory of the dressed atom and a description of all the optical pumping experiments which have been performed to illustrate the theory.