Refroidissement laser sub-recul par résonances noires:-exp. avec des atomes d'hélium métastables,-approches Monte-Carlo quantique et vols de Lévy
Résumé
This thesis presents new experimental and theoretical approaches of laser cooling by dark resonances. The recoil energy is the kinetic energy communicated to an atom initially at rest by the absorption or by the emission of a single photon. This important milestone in laser cooling has been overcome for the first time in 1988 by the method of velocity selective dark resonances. This work deals with extensions of this method to the long interaction time regime and to several dimensions. The new experimental setup is based on the development of a laser trap of ultracold metastable helium atoms. The atoms are released in free fall and their small velocities allow the interaction time to be increased by 2 orders of magnitude. Stray magnetic fields are compensated to one milligauss by mechanical Hanle effect experiments. The first experiments with this new setup reached one fortieth of the recoil energy (100 nanokelvins) in one dimension. The recoil limit has been passed for the first time in two dimensions, reaching one twentieth of the recoil energy, i e. 200 nanokelvins. Theoretically, a new type of quantum Monte-Carlo simulations much more efficient than the resolution of optical Bloch equations. The long interaction time behaviour has been explored. These simulations suggested another new approach, based on the Lévy statistics recently introduced to study anomalous diffusion. With this approach, we proved a conjecture predicting a decrease of the temperature as the inverse of the interaction time. We also give new analytical results, for example about the proportion of cooled atoms or about the role of dimensionality.
Ce mémoire présente de nouvelles approches expérimentales et théoriques du refroidissement laser sub-recul par résonances noires. L'énergie de recul est l'énergie cinétique communiquée à un atome initialement immobile par l'absorption ou l'émission d'un seul photon. C'est une échelle importante dans le refroidissement d'atomes par laser, franchie pour la première fois en 1988, sur un jet d'hélium métastable, grâce à la méthode des résonances noires sélectives en vitesse. Ce travail porte sur les développements de cette méthode, d'une part dans le régime des temps longs, d'autre part à plusieurs dimensions. Le nouveau schéma expérimental repose sur la réalisation d'un piège laser d'atomes d'hélium métastables ultrafroids, à partir duquel on lâche en chute libre le nuage d'atomes piégés, dont les vitesses autorisent des temps d'interaction accrus par deux ordres de grandeur. Les champs magnétiques ont été compensés à un milligauss près par des expériences d'effet Hanle mécanique. Les premières expériences effectuées avec le nouveau dispositif ont permis d'atteindre un quarantième de l'énergie de recul (100 nanokelvins) à une dimension. La limite du recul à deux dimensions a pu être franchie pour la première fois (un vingtième de l'énergie du recul, soit 200 nanokelvins) Sur le plan théorique, on a développé un nouveau type de simulations Monte-Carlo quantiques beaucoup plus efficaces que la résolution des équations de Bloch optiques On a pu explorer ainsi le régime des temps longs. Ces simulations ont suggéré une approche statistique complètement nouvelle du problème, basée sur les statistiques de Lévy récemment introduites pour étudier la diffusion anormale. Cette approche a permis de confirmer une conjecture prédisant une décroissance de la température atteinte comme l'inverse du temps d'interaction. Elle fournit également des résultats analytiques nouveaux, par exemple sur la proportion d'atomes refroidis ou sur le rôle de la dimensionnalité.