olivier sirjean
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Collisions ionisantes :un nouveau diagnostic pour les
condensats de Bose-Einstein d’hélium métastable
Olivier Sirjean
Soutenance de thèse de doctorat, 27 Juin 2003
2
k B T
Longueur d’onde de de Broglie thermique :
La condensation de Bose-Einstein
Critère : n ~ 1 , avec 1/T 1/2
d = n-1/3
k B T
3
Pourquoi obtenir un CBE ?
• Source cohérente d’ondes de matière pour l’Optique Atomique ("laser à atomes").
interférences, battements …
1995 : Première observation expérimentale de la condensation
de Bose-Einstein dans un gaz dilué de rubidium.
Prix Nobel de Physique 2001.
• Fluide quantique dilué et au-delà,...
modélisation simple des interactions .
lien avec la superfluidité .
4
Particularités de l’hélium métastable
• 4He dans l’état 2 3S1 (He*).
• Originalité de l’He*
collisions Penning.
He* + He* He + He+ + e-
Observation des ions produits par le condensat nouveau diagnostic.
He*
He+
20 eV d’énergie interne détection électronique rapide et efficace.
e-
1 canal du MCP
2 kV
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Particularités de l’hélium métastable
• 4He dans l’état 2 3S1 (He*).
• Originalité de l’He*
collisions Penning.
He* + He* He + He+ + e-
Observation des ions produits par le condensat nouveau diagnostic.
He*
He+
20 eV d’énergie interne détection électronique rapide et efficace.
e-
1 canal du MCP
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Atomes métastables
C. Westbrook, A. Aspect IOTA, Orsay
M. Leduc, C. Cohen-Tannoudji ENS, Paris
W. Hogervorst, W. VassenAmsterdam
G. Birkl, W. ErtmerHannovre
H.C.W. Beijerinck, E.J.D. Vredenbregt Eindhoven
Australie
Allemagne
France
Japon
Pays Bas
USA
He*{{Ne*
He*, Ne*, Ar*, Kr*, Xe*
7
A) Obtention des condensats d’He* et détection
- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ionsB) Le signal d’ions
- nouveaux diagnostics- suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat
Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*
C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation
Conclusion et perspectives
Plan de l’exposé
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A) Obtention des condensats d’He* et détection
- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ionsB) Le signal d’ions
- nouveaux diagnostics- suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat
Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*
C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation
Conclusion et perspectives
Plan de l’exposé
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Piège magnéto-optique :
Réalisation expérimentale
Piège Cloverleaf
@ 240 A : B0 : 0.3 to 200 G ;
B’ = 87 G / cm ; B’’= 16 G / cm2
z / 2 = 47 Hz ; / 2 = 1800 Hz
(1200 Hz)
Piege magnétique :
108 At @ 1mK106 At @ 1K
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gE
e-
E
hRF
h hRF énergie
1. Troncature de la distribution d’énergie
T diminuedB et augmentent !!
2. Thermalisation
Grâce aux collisions
élastiques
Distribution d’énergie = e-E/kBT * (densité d’état)
Refroidissement évaporatif
Détection des atomes : le temps de volEvolution des signaux observés après la coupure du piège au cours de l’évaporation.
MCP
g
h
• Ajustements N th , T , N 0 , µ
Double structure Signature du CBE
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Détection des ionsHe+
Discri. TempsMort
CompteurPCI
-30 V
Enregistrement :Temps entre chaque impact.
Analyse :Flux en fonction du temps.
Comptage signal à bruit limité par « bruit de grenaille »
13
A) Obtention des condensats d’He* et détection
- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ions
B) Le signal d’ions- nouveaux diagnostics- suivi en direct et non perturbatif de la naissance du condensat
Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*
C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation
Conclusion et perspectives
Plan de l’exposé
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Collisions avec le gaz résiduel :Mesures de durée de vieHe* + X He (1 1S0) + e - + X+
Exemple : X = H2O
indépendant de la densité Nombre d’atomes
NdtdN
15
Collisions avec le gaz résiduel :Evolution du nombre d’atomes
Ions + atomesAtomesIons
16
Collisions à 2 et 3 corps :Suivi de la densité du nuage
He* + He* He (1 1S0) + He+ + e -
He* + He* + He* He*(1 mk) + He (1 1S0) + He+ + e -
Dépend de la densité !
17
Naissance du condensat
Temps(s)
Flux
d’i
ons
déte
cté
(cps
/s)
Tem
ps d
e V
ol
18
Naissance du condensatFl
ux d
’ion
s dé
tect
é (c
ps/s
)
Tem
ps d
e V
ol
Avant !Au seuil !Apres !
Fonction Bose
Gaussienne
19
Expression du taux d’ionsHe* + He* He (1 1S0) + He+ + e -
He* + He* + He* He*(1 mk) + He (1 1S0) + He+ + e -
!21
CBE dilué
!31
20
Simulation de la formation
Total
3 corps
2 corps
1 corps
21
A) Obtention des condensats d’He* et détection
- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ionsB) Le signal d’ions
- nouveaux diagnostics- suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat
Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*
C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation
Conclusion et perspectives
Plan de l’exposé
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Principe des mesures
!21
CBE
!31 2
CBE
3
Méthode :Mesurer : Φi , N , n pour un même échantillon
Sur CBE pur !
t12 s t1 + 0.1 s
0.01 s
Difficulté :Mesurer les grandeursde façon absolue !
Temps de vol : N et n via
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Mesures sur des condensats purs : paramétrisation
Approximation T-F
Mesure de n0 et N nma 1020
nma 816
24
Mais : grande longueur de diffusion effet des interactions important
Prise en compte de la Déplétion quantique
Correction importante ( ~ 0.25 pour les densités les plus élevées) Même si le N (déplétion quantique) est faible ( qq % )
Collisions à 2 corps : correction 2 fois plus faible
!2
12
!3
13
Pour des condensats dilués : fonctions de corrélation locales
ShlyapnikovCornell, Wieman
)1(33
30
72anA
Shlyapnikov
84.0A
Mesures sur des condensats purs : effet des interactions
25
Ajustement (, L) pour chaque valeur de a
Pour chaque point :
N et n0 via (TOF) et Taux d’ions
Vérification CBE pur (>90%)
courbure 3-corps (L) joue un rôle non-négligeable !!
n0
n0
Mesures sur des condensats purs
26
Mesures sur des condensats purs : Résultats
Prédictionsthéoriques
Dépendance due paramétrisation
Mesures sur des nuages thermiques au seuil : paramétrisation
Temps (s)Fl
ux d
’ion
s dé
tect
é (c
ps/s
)
Indépendant de a !
Mesure de Tc ns et Ns
28
Mesures sur des nuages thermiques au seuil
29
Résultats
Res. Bec purs
Res. Therm. seuil
Res. Bec pursRes. Therm. seuil
Prédictionsthéoriques
Dépendance due paramétrisation
30
Résultats
Erreur Statistique Erreur systématique :Efficacité absolue de détection des ions
Autre erreur systématique à étudier : effet d’une expansion dans le régime hydrodynamique
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A) Obtention des condensats d’He* et détection
- mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes- détection des ionsB) Le signal d’ions
- nouveaux diagnostics- suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat
Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He*
C) Mesures des constantes de collisions- principe- mesures sur les condensats purs- mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation
Conclusion et perspectives
Plan de l’exposé
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Conclusion et perspectivesAtomes métastables Signal d’ionisation
un signal • supplémentaire, complémentaire• en temps réel• “non-perturbatif”
- qualitativement rupture de pente : apparition du CBE
- collisions à 3 corps importantes
- vers du quantitatif : mesures de et L (pour quelle valeur de a nos résultats sont cohérents)
Nous espérons (meilleure calibration de N, ou mesure indpt de a )
-Montrer expérimentalement * le déplacement dû aux interactions* l’effet de la déplétion quantique
-suivre quantitativement la formation du CBE en une seule réalisation
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Merci à ...
• L’équipe He* Antoine Browaeys
Alice Bobert Denis Boiron
Signe Seidelin Chris WestbrookJosé Gomes
Alain AspectRodolphe HopplerMartejn Schellekens
• Le groupe d’Optique Atomique et ses électroniciensAndré VillingFrédéric Moron
• Les différents services de l’IOTALe service des TPL’atelier de mécaniqueLe service techniqueL’atelier du verreL’accueil-reprographie,…
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L’équipe He*
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Détection des ionsHe+
Discri. TempsMort
CompteurPCI
-30 V
Enregistrement :Temps entre chaque impact.
Analyse :Flux en fonction du temps.
Fit donne F=49(±1) 103
Pas de double comptage
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Et la décroissance….
Bouclier-rfSans Bouclier-rf
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Raman transitions
2 faisceaux co-propageants(non-sélectif en vitesse)Avec polarisation et
38
ccB
cBc
a
Tk
TkI
35.12
~48.2202.1
'
13
))(2)((
1exp
)(
1),,( 2/33
rgnrVTk
gT
rTnB
ccBcccBc
a
TkL
a
Tk
50.19
~62.665.0
1
3
149.13
~63.366.0
1
2
163
Densité dans l’approximation de champ moyen :
1. Ordre perturbation (Stringari)
Énergie de point zéro Interactions
Interactions
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