Refroidissement par évaporation d'un jet atomique guidé magnétiquement

Evaporative cooling of a magnetically guided atomic beam

Laboratoire Kastler-Brossel, Département de Physique de l'École Normale Supérieure, 24 rue Lhomond, 75005 Paris, France.

Résumé

Cet ouvrage traite de la réalisation expérimentale d'un jet atomique ultrafroid guidé magnétiquement, dans le régime collisionnel. Après une description détaillée du dispositif expérimental développé à cette fin, une méthode de thermométrie par spectroscopie radio-fréquence est proposée et démontrée expérimentalement. Les variations de température, densité dans l'espace des phases et taux de collisions élastiques du jet au cours d'un cycle évaporation-rethermalisation sont calculées. Des expériences d'évaporation radio-fréquence à deux antennes sont ensuite présentées, qui permettent de prouver l'existence de collisions au sein du jet. Deux méthodes permettant d'augmenter le taux de collisions sont ensuite étudiées théoriquement, puis mises en œuvre. Le gain en taux de collisions ainsi obtenu est mis à profit pour refroidir le jet à l'aide d'une dizaine de zones d'évaporation, permettant d'en accroître la densité dans l'espace des phases par un ordre de grandeur. Enfin, une étude théorique détaillée de la cinétique d'évaporation montre qu'un gain d'un facteur dix sur le taux de collisions élastiques obtenu jusqu'à présent devrait permettre d'atteindre la dégénérescence quantique.

Abstract

This work deals with the experimental realization of an ultracold, magnetically guided atomic beam in the collisional regime. After a detailed description of the experimental setup developed for this purpose, a method to measure the beam temperature with radio-frequency spectroscopy is proposed theoretically and demonstrated experimentally. The variations in temperature, phase-space density and elastic collision rate of the beam during a cycle evaporation-rethermalization are calculated. Two-antenna radio-frequency evaporation experiments are then described. They allow one to demonstrate the occurrence of elastic collisions within the atomic beam. Two Hamiltonian methods allowing one to increase the elastic collision rate are then studied theoretically and investigated experimentally. The gain in the elastic collision rate obtained this way is then used in order to cool the beam by means of ten evaporation zones, thus increasing the beam's phase-space density by one order of magnitude. Finally, a detailed theoretical study of the evaporation kinetics shows that a ten-fold increase of the collision rate obtained so far should be sufficient to achieve quantum degeneracy.