Laser cooled atoms: from sub-recoil cooling to the search for collective quantum effects

Atomes refroidis par laser : du refroidissement sub-recul à la recherche d'effets quantiques collectifs

Olivier Morice (1)

1 LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel

Thanks to laser cooling techniques, very low temperatures are now attainable. Quantum collective effects may consequently be observed. Since the densities involved in laser cooling experiments are rather low, such collective effects become relevant only when the average atomic velocity is smaller than the one photon recoil velocity. A subrecoil laser cooling method (Raman cooling) has been performed experimentally in one dimension, and is presented in the first part of this thesis. In order to generalise this technique to three dimensions with trapped atoms, we have realised a new kind of trap (the opto-electrical trap). In the second part of this thesis, we study theoretically an optical method for detecting collective quantum effects (measurements of the refractive index and of the scattering cross section). Our treatement is valid for the case of a homogeneous and weakly dense atomic cloud. We find that collective effects are responsible for a small but detectable perturbation of the signal.

Les techniques de refroidissement d'atomes par laser ont permis d'atteindre des températures suffisamment basses pour que des effets liés à la statistique quantique deviennent observables. Toutefois, compte tenu des faibles densités mises en jeu dans ces expériences, de tels effets ne sont significatifs que lorsque la vitesse moyenne des atomes est inférieure à la vitesse de recul d'un seul photon. La première partie de cette thèse présente la mise en oeuvre expérimentale à une dimension d'une méthode de refroidissement laser permettant de franchir la limite du recul, le refroidissement Raman. Pour rendre possible la généralisation cette méthode à trois dimensions et au cas d'atomes confinés, un nouveau type de piège, le piège opto-électrique, a été mis au point. Dans la deuxième partie, la détection des effets quantiques collectifs par une méthode optique (mesures de l'indice de réfraction et de la section efficace de diffusion) est étudiée théoriquement dans le cas d'un nuage atomique homogène et de faible densité. Sous cette hypothèse, les effets statistiques induisent une perturbation du signal faible, quoique détectable.

Keywords: Quantum statistics

Keywords: Refroidissement radiatif; Refroidissement sub-recul; Piège dipolaire; Refroidissement Raman; Statistique quantique; Condensation de Bose-Einstein; Indice de réfraction; Diffusion de lumière

Domains: Quantum Physics [quant-ph]; Atomic Physics [physics.atom-ph]

Olivier Morice. Atomes refroidis par laser : du refroidissement sub-recul à la recherche d'effets quantiques collectifs. Physique Quantique [quant-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 1995. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011902v2⟩