Formation de molécules froides par photoassociation d'atomes froids de césium. Mise en évidence de forces à longue portée entre atomes froids excités de césium.

Daniel Comparat (1)

1 LAC - Laboratoire Aimé Cotton

This thesis deals with the experimental study and the theoretical interpretation of the processes involved in photoassociation and the formation of cold caesium molecules. It also presents a study of the dipolar forces between a pair of cold excited caesium atoms. We present here the first photoassociation experiment on cold caesium atoms : two cold atoms absorb a photon to form an excited electronically excited molecules in a rotation-vibration level. The first production of cold molecules which was realised experimentally, after the spontaneous desexcitation of the photoassociated molecules, is described, stressing the role of the potential well of the molecular states $0_g^- (6s+6p_(3/2))$ or $1_u (6s+6p_(3/2))$ of caesium. The detection of the formed caesium molecules is based on a two-photons resonant ionisation that creates Cs$_2^+$ ions, afterwards selectively detected. Temperatures arround $20-200\,\mu$K have been measured. The photoassociative spectroscopy is described on the theoretical point of view : a detailed theoretical study allows to calculate precisely the asymptotic parts of the potential curves. On the experimental point of view, we present the spectroscopy of the extern potential well of the caesium state $0_g^- (6s+6p_(3/2))$ and the construction of an effective potential curve of the RKR type. A unified theory of photoassociation in weak field, considered as a collision assisted by laser, is developed. The cold atoms experiments allow to study and control the collision between two atoms whose mutual interaction is of the dipole-dipole type. Two different physical systems are studied : a sample of Rydberg atoms, and the photoassociation process which is a laser-assisted collision. A modification of the motion of one pair of atoms makes it possible to control the bipolar forces and to choose the atoms relative speeds.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et l'interprétation théorique des processus de photoassociation et de formation de molécules froides de césium, ainsi que sur l'étude des forces dipolaires entre une paire d'atomes de césium froids excités. La photoassociation moléculaire d'atomes froids de césium a été réalisée expérimentalement : deux atomes absorbent un photon pour former une molécule électroniquement excitée dans un état de rotation-vibration donné. L'expérience a permis la première observation de molécules translationnellement froides obtenues après désexcitation spontanée des molécules photoassociées. La forme en double puits des courbes de potentiel des états moléculaires $0_g^- (6s+6p_(3/2))$ et $1_u (6s+6p_(3/2))$ du césium est la clé de l'efficacité du processus. Ces molécules froides formées sont détectées sélectivement par temps de vol après leur photoionisation en ions Cs$_2^+$. Des températures de $20-200\,\mu$K ont été mesurées. La photoassociation offre une méthode de spectroscopie à haute résolution qui permet d'atteindre des états moléculaires de grande élongation, donnant accès aux données asymptotiques. La spectroscopie du puits de potentiel externe de l'état $0_g^-(6s+6p_(3/2))$ du césium a été effectuée et est analysée par une approche R.K.R.. Une théorie unifiée de la photoassociation en champ faible, vue comme une collision assistée par laser, est développée dans ce manuscrit. Les expériences avec les atomes froids permettent l'étude des collisions entre deux atomes soumis à une interaction mutuelle à grande distance de type dipôle-dipôle. Deux systèmes physiques différents sont étudiés : une assemblée d'atomes de Rydberg et la photoassociation. La modification du mouvement d'une paire d'atomes offre la possibilité de ``contrôler" les forces dipolaires et de ``choisir" les vitesses relatives entre atomes.

Mots clés: Refroidissement laser; Spectroscopie moléculaire; Molécules diatomiques; Atomes de Rydberg; Piège magnéto-optique; Haute résolution; Dimères d'alcalins; Temps de vol; Interaction à grande distance; R.K.R.; Photoassociation; Transition dipolaire; Molécules froides; Théories asymptotiques; Collisions froides; Césium; Lois de seuils; Forces à longues portées; Forces de Van der Walls; Equations couplées; Facteur de Franck-Condon; Interaction dipôle-dipôle; Effets de retard; Cas de Hund; Etats de grande élongation; Théorie de LeRoy-Bernstein; Symétries moléculaires; Born-Oppenheimer; R.K.R

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Daniel Comparat. Formation de molécules froides par photoassociation d'atomes froids de césium. Mise en évidence de forces à longue portée entre atomes froids excités de césium.. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 1999. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00002752⟩