Cooling and trapping chromium atoms
Refroidissement et piégeage d'atomes de chrome
Résumé
This work comes within the scope of obtaining dipolar quantum gases : a Bose-Einstein
condensate of 52Cr and a Fermi sea of 53Cr. The large magnetic moment of 6 µB in the ground state,
the electronic structure in lambda-shape and the presence of a fermionic isotope made chromium attractive
for experiments in the field of ultracold atoms.
The experimental setup constructed looks like a trapping experiment on a usual element. Nevertheless,
specific technical solutions to operate a high-temperature oven or to generate a blue laser
beam at 425.5 nm which is not modulated were chosen. Moreover, two projects which I have carried
out are detailed : the temperature lock of a Fabry Perot cavity and the absorption optics system.
The magneto-optical traps of 52Cr and 53Cr obtained contain respectively 4x10^6 and 5x10^5 atoms
for densities of 8x10^10 and 2.5x10^10 cm−3. These two traps have similar characteristics : a high inelastic
two-body collision rate in the range of 5x10^−9 cm^−3.s^−1 and a one-body loss rate of 169 s^−1 for the
52Cr and of 280 s^−1 for the 53Cr explained by a decay towards metastable states. This latest property
enables to accumulate continuously 2x10^7 atoms of 52Cr and 8x10^5 atoms of 53Cr in the quadrupolar
trap formed by the coils of the magneto-optical trap. The first achievement and characterization of a
simultaneous magneto-optical trap of a mixture 52Cr-53Cr is also shown.
The accumulation of bosonic metastable atoms in an optical trap superimposed to a linear magnetic
trap is studied. This original trap enables to achieve the first optical trap of atoms in metastable
states. In a very short time of 100 ms, the optical trap contains 1.2x10^6 metastable atoms with a
density of 10^11 cm^−3. This result constitutes a fist step towards the realization of a crossed optical
trap where atoms will be polarized and then cooled below the condensation threshold.
condensate of 52Cr and a Fermi sea of 53Cr. The large magnetic moment of 6 µB in the ground state,
the electronic structure in lambda-shape and the presence of a fermionic isotope made chromium attractive
for experiments in the field of ultracold atoms.
The experimental setup constructed looks like a trapping experiment on a usual element. Nevertheless,
specific technical solutions to operate a high-temperature oven or to generate a blue laser
beam at 425.5 nm which is not modulated were chosen. Moreover, two projects which I have carried
out are detailed : the temperature lock of a Fabry Perot cavity and the absorption optics system.
The magneto-optical traps of 52Cr and 53Cr obtained contain respectively 4x10^6 and 5x10^5 atoms
for densities of 8x10^10 and 2.5x10^10 cm−3. These two traps have similar characteristics : a high inelastic
two-body collision rate in the range of 5x10^−9 cm^−3.s^−1 and a one-body loss rate of 169 s^−1 for the
52Cr and of 280 s^−1 for the 53Cr explained by a decay towards metastable states. This latest property
enables to accumulate continuously 2x10^7 atoms of 52Cr and 8x10^5 atoms of 53Cr in the quadrupolar
trap formed by the coils of the magneto-optical trap. The first achievement and characterization of a
simultaneous magneto-optical trap of a mixture 52Cr-53Cr is also shown.
The accumulation of bosonic metastable atoms in an optical trap superimposed to a linear magnetic
trap is studied. This original trap enables to achieve the first optical trap of atoms in metastable
states. In a very short time of 100 ms, the optical trap contains 1.2x10^6 metastable atoms with a
density of 10^11 cm^−3. This result constitutes a fist step towards the realization of a crossed optical
trap where atoms will be polarized and then cooled below the condensation threshold.
Ce travail s'inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques dipolaires : condensat
de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le fort moment magnétique de 6 µB
dans l'état fondamental, la structure électronique en lambda et la présence d'un isotope fermionique rendent
en effet l'atome de chrome attractif pour des expériences d'atomes froids.
Le dispositif expérimental mis en place ressemble à une expérience de piégeage sur un atome
usuel. Néanmoins, des solutions technologiques spécifiques pour réaliser un four à haute température
ou générer un faisceau laser à 425,5 nm non modulé ont été adoptées. De plus, deux projets que j'ai
menés à bien sont détaillés : l'asservissement en température d'une cavité Fabry Perot et le système
d'imagerie par absorption.
Les pièges magnéto-optiques de 52Cr et de 53Cr obtenus contiennent respectivement 4.10^6 et
5.10^5 atomes pour des densités de 8.10^10 et 2,5.10^10 cm^−3. Ces deux pièges présentent des caractéristiques
similaires : un fort taux de collisions à deux corps de l'ordre de 5.10^−9 cm^−3.s^−1 et un taux
de pertes à un corps de 169 s^−1 pour le 52Cr et de 280 s^−1 pour le 53Cr dû à une desexcitation vers
des états métastables. Cette dernière propriété permet d'accumuler en continu 2.10^7 atomes de 52Cr
et 8.10^5 atomes de 53Cr dans un piège quadripolaire formé par les bobines du piège magnéto-optique.
La première obtention et caractérisation d'un piège magnéto-optique mixte d'un mélange 52Cr-53Cr
est aussi exposée.
L'accumulation d'atomes bosoniques métastables dans un piège optique superposé à un piège
magnétique linéaire est étudiée. Ce piège original permet de réaliser le premier piège optique d'atomes
dans des états métastables. En un temps très rapide de 100 ms, le piège optique contient 2.10^6 atomes
métastables avec une densité de 10^11 cm^−3. Ce résultat constitue une première étape vers l'obtention
d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.
de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le fort moment magnétique de 6 µB
dans l'état fondamental, la structure électronique en lambda et la présence d'un isotope fermionique rendent
en effet l'atome de chrome attractif pour des expériences d'atomes froids.
Le dispositif expérimental mis en place ressemble à une expérience de piégeage sur un atome
usuel. Néanmoins, des solutions technologiques spécifiques pour réaliser un four à haute température
ou générer un faisceau laser à 425,5 nm non modulé ont été adoptées. De plus, deux projets que j'ai
menés à bien sont détaillés : l'asservissement en température d'une cavité Fabry Perot et le système
d'imagerie par absorption.
Les pièges magnéto-optiques de 52Cr et de 53Cr obtenus contiennent respectivement 4.10^6 et
5.10^5 atomes pour des densités de 8.10^10 et 2,5.10^10 cm^−3. Ces deux pièges présentent des caractéristiques
similaires : un fort taux de collisions à deux corps de l'ordre de 5.10^−9 cm^−3.s^−1 et un taux
de pertes à un corps de 169 s^−1 pour le 52Cr et de 280 s^−1 pour le 53Cr dû à une desexcitation vers
des états métastables. Cette dernière propriété permet d'accumuler en continu 2.10^7 atomes de 52Cr
et 8.10^5 atomes de 53Cr dans un piège quadripolaire formé par les bobines du piège magnéto-optique.
La première obtention et caractérisation d'un piège magnéto-optique mixte d'un mélange 52Cr-53Cr
est aussi exposée.
L'accumulation d'atomes bosoniques métastables dans un piège optique superposé à un piège
magnétique linéaire est étudiée. Ce piège original permet de réaliser le premier piège optique d'atomes
dans des états métastables. En un temps très rapide de 100 ms, le piège optique contient 2.10^6 atomes
métastables avec une densité de 10^11 cm^−3. Ce résultat constitue une première étape vers l'obtention
d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.
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