Novel perspectives in atomic-beam optics : van der Waals-Zeeman interaction and negative index media for atomic waves
Perspectives nouvelles pour l'optique atomique en jets : Interaction de van der Waals-Zeeman et milieux d'indice négatif pour les ondes de matière
Résumé
In the first part of this thesis, we develop both theoretical and experimental studies of a type of short range atom-surface interaction (less than 10nm) called van der Waals-Zeeman transitions. To perform this study, we first use a supersonic beam of various metastable gaz rare atoms (Ne*, Ar*, Kr*), then we use a metastable argon beam Ar*(3P2) decelerated using a standard Zeeman slower. In the first case, we observe an increase of the range of the van der Waals-Zeeman interaction with respect to the raise of the anisotropy constant n. In the second case, the increase of the range is observed as a function of the velocity decrease of a metastable argon atom from 560 to 170m/s. The combination of these two methods allows us to measure the range of the interaction (the yield of which is of a few 10^(-4)) with a spatial resolution between 2 and 3 nm. In the second part of this work, we introduce the new field of negative index media for atom optics. These media consist of potentials called comoving potentials acting in vacuum. The two major demonstrated effects produced by this type of media are: the negative refraction effect for atomic waves and the spatial narrowing of the atomic wave-packet. Finally, the application of the negative index media to evanescent waves (produced by a static magnetic potential barrier) allows a localization of these waves within a few micrometers thick zone on both sides of the potential barrier.
Dans la première partie de cette thèse, nous développons l'étude expérimentale et théorique d'un type d'interactions à très courte portée (moins de 10nm), dites de van der Waals-Zeeman, entre un atome de gaz rare et une surface métallique. Il s'agit d'utiliser d'une part un jet supersonique d'atomes métastables pour diverse espèces (Ne*, Ar*, Kr*) et, d'autre part, un jet d'argon métastable Ar*(3P2) décéléré par un ralentisseur Zeeman standard. Dans le premier cas, on observe un accroissement de la portée de l'interaction de van der Waals-Zeeman en fonction de l'augmentation de la constante d'anisotropie n. Dans le second cas, l'augmentation de la portée est observée lors d'une diminution de la vitesse d'un atome d'argon métastable de 560 à 170m/s. La combinaison de ces méthodes nous a permis de mesurer la portée de l'interaction (dont l'efficacité est de quelques 10^(-4)) avec une résolution spatiale de 2 à 3nm. Dans la seconde partie de ce travail, nous introduisons la thématique nouvelle des milieux d'indice négatif pour l'optique atomique. Ces milieux consistent en des potentiels dits comobiles agissant dans le vide. Deux effets majeurs de ces milieux d'indice négatif sont démontrés : la réfraction négative pour des ondes de matière et le rétrécissement du paquet d'onde atomique. Enfin, nous montrons que l'application de milieux d'indice négatif aux ondes évanescentes de matière (créées à l'aide d'une barrière de potentiel magnétique statique) permet de les localiser sur une épaisseur de quelques micromètres de part et d'autre du bord de la barrière de potentiel.
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