Transport et relaxation d'atomes de césium : oscillations de Bloch et résonance de diffusion
Résumé
In this thesis, we have studied quantum effects with ultracold cesium atoms. We describe first an experiment using atoms, laser-cooled down to 10 nanoKelvin, in a periodic optical potential. At this temperature, atoms are delocalized over several periods of the potential. Such a system appears to be a powerful tool to study properties of coherent quantum transport. We have observed Bloch oscillations of atoms. This quantum effect has been introduced for electrons in the frame of solid state physics. It states that particles in a periodic potential have an oscillatory motion when submitted to a constant force. We also show that the dynamics of the Bloch Oscillations are equivalent to a sequence of adiabatic rapid passage and demonstrate a novel technique of coherent acceleration of atoms. These results may find applications in atom optics and precision measurement. In the second part of this work, we have studied properties of magnetically trapped cold atoms. By investigating relaxation of the cloud towards thermal equilibrium, we infer that the s wave elastic cross section varies as 1/T between 5 and 60 μK. It takes at each measured temperature the maximum allowed value for polarized bosons. This indicates a zero-energy resonance generated by a bound or virtual state close to the dissociation threshold. In terms of the triplet scattering length a, it leads to a lower bound for |a| equal to 260 a0, significantly higher than for other alkali atoms. Such an observation should have important consequences for evaporative cooling of cesium clouds.
L'objet de cette thèse est l'étude d'effets quantiques avec des atomes de césium ultrafroids. Dans une première partie, nous décrivons une expérience étudiant la dynamique d'atomes de césium refroidis à 10 nanoKelvins dans un potentiel périodique d'origine lumineuse. A cette température, la longueur de cohérence, qui traduit la délocalisation des atomes, est plus grande que la période spatiale du potentiel. Ce système constitue alors un outil de choix pour l'étude des propriétés de transport cohérent. Nous avons ainsi pu observer les oscillations de Bloch d'atomes de césium. Cet effet purement quantique a été prédit initialement dans le cadre de la phvsique des solides. Il indique que les particules dans le potentiel périodique ont un mouvement oscillant lorsqu'elles sont soumises à une force extérieure constante Au delà de cette observation, nous avons également développé une technique d'accélération cohérente des atomes, susceptible de trouver des applications en interféromètrie atomique et pour des expériences de haute résolution. Dans une deuxième partie, nous avons étudié le comportement d'un nuage d'atomes confiné dans un piège magnétique. En mesurant les processus de thermalisation de ce nuage, nous avons déterminé la section efficace de collision élastique entre atomes pour des températures comprises entre 5 et 50 μK. Les résultats indiquent une forte dépendance en énergie de la section efficace, qui traduit une résonance de diffusion en onde s, liée à l'existence d'un niveau lié (ou virtuel) dans le potentiel d'interaction Cs-Cs très proche du continuum. Nous en avons déduit une limite inférieure de 260 a_0 pour la valeur absolue de la longueur de diffusion dans l'état triplet. Cette valeur est bien plus grande que pour les autres atomes alcalins et ce résultat devrait avoir des conséquences importantes pour les expériences de refroidissement évaporatif du césium.
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