Oscillations de Rabi quantiques : test direct de la quantification du champ dans une cavité

Rabi Nutations : Immediate Test of the Field Quantization in a Cavity

Laboratoire Kastler Brossel, Département de Physique de l'École Normale Supérieure, 24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France

Résumé

Un atome de Rydberg circulaire et un champ électromagnétique stocké dans une cavité supraconductrice de très grand facteur de qualité constituent un système simple, bien isolé de son environnement et permettant d'étudier des effets fondamentaux de l'interaction matière-rayonnement. Dans cet article nous présentons une expérience réalisée dans une situation où l'atome et le champ sont à résonance. Le signal d'oscillation de Rabi correspondant à l'évolution temporelle de la population atomique présente des composantes de Fourier dont les fréquences sont proportionnelles aux racines carrées des entiers successifs ; ceci met en évidence directement la quantification du champ dans la cavité. Nous montrons également que l'analyse des signaux permet de remonter à certaines propriétés statistiques du champ.

Abstract

Circular Rydberg atom and electromagnetic field stored in superconducting cavity constitute a simple system, isolated from the environment and allow us to study fundamental effects of the mater-field interaction. This work presents an experiment in a resonant regime. The Rabi nutation signal corresponding to the evolution of the atomic populations presents Fourier components at frequencies proportional to square root of successive integers; it's a direct evidence of field quantization in a cavity. We demonstrate also that the analysis of the signal gives the distribution of the photons number in the field stored in the cavity.