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Fiche détaillée Thèses
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (07/12/1998), Cohen-Tannoudji, Claude (Dir.)
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Refroidissement laser subrecul au nanokelvin : mesure directe de la longueur de cohérence spatiale. Nouveaux tests des statistiques de Lévy.
Bruno Saubamea1

Ce mémoire de thèse présente une nouvelle méthode de mesure de la température d'atomes ultra-froids à-partir de la fonction d'autocorrélation spatiale des paquets d'ondes atomiques. Nous déterminons ainsi la température d'atomes d'hélium 4 métastables refroidis par résonances noires sélectives en vitesse, une méthode qui refroidit les atomes en dessous de la température de recul liée à l'émission ou l'absorption d'un seul photon par un atome au repos. Un atome ainsi refroidi est préparé dans une superposition cohérente de deux paquets d'ondes d'impulsions moyennes opposées, initialement superposés et qu'on laisse ensuite se séparer. En mesurant la décroissance temporelle de leur recouvrement, nous avons accès à la transformée de Fourier de la distribution d'impulsion des atomes. Nous pouvons ainsi mesurer des températures aussi basses que 5 nK, soit 800 fois plus petites que la température de recul. Par ailleurs nous étudions en détail la forme exacte de la distribution d'impulsions et comparons les résultats expérimentaux avec deux approches théoriques différentes : une simulation Monte Carlo quantique et un modèle analytique du refroidissement basé sur les statistiques de Lévy. Nous comparons la forme de raie calculée avec les résultats des simulations puis confrontons séparément chacune des approches théoriques aux données expérimentales. Un très bon accord est trouvé entre tous ces résultats. Nous démontrons ainsi la validité du modèle statistique du refroidissement subrecul et, pour la première fois, mettons en évidence expérimentalement certaines de ces caractéristiques, comme l'absence d'état stationnaire, l'autosimilarité et le caractère non lorentzien de la distribution d'impulsion des atomes refroidis, tous ces aspects étant en relation directe avec le caractère non ergodique du refroidissement subrecul.
1 :  LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel
Refroidissement laser subrecul – Hélium métastable – Fonction d'autocorrélation spatiale – Monte-Carlo quantique – Statistiques de Lévy – Diffusion anormale – Ergodicité – Interférométrie temporelle

This thesis presents a new method to measure the temperature of ultracold atoms from the spatial autocorrelation function of the atomic wavepackets. We thus determine the temperature of metastable helium 4 atoms cooled by velocity selective dark resonance, a method known to cool the atoms below the temperature related to the emission or the absorption of a single photon by an atom at rest, namely the recoil temperature. This cooling mechanism prepares each atom in a coherent superposition of two wavepackets with opposite mean momenta, which are initially superimposed and then drift apart. By measuring the temporal decay of their overlap, we have access to the Fourier transform of the momentum distribution of the atoms. Using this method, we can measure temperatures as low as 5 nK, 800 times smaller than the recoil temperature. Moreover we study in detail the exact shape of the momentum distribution and compare the experimental results with two different theoretical approaches a quantum Monte Carlo simulation and an analytical model based on Lévy statistics. We compare the calculated line shape with the one deduced from simulations, and each theoretical model with experimental data. A very good agreement is found with each approach. We thus demonstrate the validity of the statistical model of subrecoil cooling and give the first experimental evidence of some of its characteristics: the absence of steady-state, the self-similarity and the non lorentzian shape of the momentum distribution of the cooled atoms. All these aspects are related to the non ergodicity of subrecoil cooling.