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

Deuxième 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

Nous avons commencé dans les précédents numéros des Annales de Physique (Tome 6, n° 4 et 5, pages 189 à 326), la publication d’une monographie consacrée à l’étude des propriétés physiques d’un système atomique en interaction avec un champ de radiofréquence.

Nous avons présenté une interprétation entièrement quantique de la résonance magnétique dans laquelle le champ de radiofréquence est traité en termes de photons et nous avons été naturellement conduits à considérer que dans une expérience de spectroscopie hertzienne, le système physique étudié est le système global constitué par l’atome en interaction avec les photons de radiofréquence, que nous avons appelé l’atome « habillé ».

Le point de vue de l’atome habillé nous a permis de déterminer simplement la position et les caractéristiques de toutes les raies de résonance magnétique observables dans une expérience de spectroscopie hertzienne; il nous a conduit à prévoir des effets nouveaux comme la modification du moment magnétique atomique sous l'effet du couplage de l’atome avec un champ de radiofréquence linéaire, ou encore la levée de la dégénérescence Zeeman en champ statique nul d’un niveau atomique couplé à un champ de radiofréquence tournant; il nous a permis de calculer aisément la réponse d’un système atomique à deux champs électromagnétiques différents dont l’un (le champ habillant) peut être très intense; il nous a également permis de décrire simplement les divers processus de relaxation d’un atome soumis à l’action d’un champ de radiofréquence de grande intensité...

Diverses applications intéressantes des propriétés de l’atome habillé ont été envisagées : obtention de raies de résonance magnétique de cohérence d’une grande finesse ; modification de l'effet Hanle, de la précession de Larmor, de l’effet Zeeman d’un atome sous l’effet du couplage avec un champ de radiofréquence qui altère le moment magnétique atomique; circulation de cohérence entre deux niveaux atomiques dont les facteurs de Landé ont été égalisés par couplage avec un champ habillant; modification du spectre d’absorption hyperfin d’un atome alcalin couplé à un champ de radiofréquence ; modification sous l’effet du couplage avec un champ habillant de la relaxation produite sur un niveau atomique par un champ magnétique inhomogène, etc.

Tous ces effets — calculés théoriquement en détail dans la première partie de cette monographie — ont été observés dans des expériences de pompage optique sur des vapeurs atomiques. Il nous a paru intéressant de rassembler dans les chapitres qui suivent la description de toutes ces expériences, qui apportent une vérification et une illustration de la théorie de l’atome habillé développée dans les chapitres précédents.

Abstract

This paper is the second part of a monograph the publication of which started in the previous issue of Annales de Physique (tome 6, n° 4 and 5, pages 189 to 326). This monograph is devoted to the study of the physical properties of an atomic system interacting with a radiofrequency field. We have developed in previous chapters a full quantum-mechanical interpretation of magnetic resonance in which the radiofrequency field is described in terms of photons and we have been led to consider that the physical system under study in a Radiofrequency Spectroscopy experiment is the whole « atome + radiofrequency field » system which is called the « dressed » atom.

The dressed atom point of view allowed a very simple determination of the main features of all magnetic resonance lines observable in a radiofrequency spectroscopy experiment; this point of view led also to the prediction and calculation of some new physical effects such as the modification of the magnetic moment of an atom coupled with a linearly polarized radiofrequency field, or as the removal of the Zeeman degeneracy in a zero static field of an atomic level coupled to a rotating radiofrequency field; the dressed atom theory proved also very useful in order to calculate the response of an atomic system to two different electromagnetic fields, one of which (the dressing field) being possibly very strong; it allowed also a very simple description of the various processes involved in the relaxation of an atom coupled with a very strong radiofrequency field...

Various possible applications of the properties of the dressed atom have also been theoretically considered : production of very narrow coherence magnetic resonance lines; modification of the Hanle effect, of the Larrnor precession and of the Zeeman effect of an atom due to the coupling with a radiofrequency field which changes the atomic magnetic moment ; circulation of coherence between atomic levels whose g-factors have been matched through coupling with a dressing field; modification of the hyperfine absorption spectrum of an alkali atom coupled to a radiofrequency field ; modification through the coupling with a dressing field of the relaxation induced in an atomic level by an inhomogeneous magnetic field, etc.

All these effects—which have been theoretically calculated in the first part of this monograph—have been observed in optical pumping experiments performed on atomic vapours. In this second paper, we gather the description of all these experiments which provide a test and an illustration of the dressed atom theory developed in the previous chapters.