Rubidium vapors in high magnetic fields
Vapeurs de rubidium sous champs magnétiques intenses
Résumé
Optical spectroscopy of simple atoms allows a very precise
measurement of the atomic properties and of the external
perturbations, as applied magnetic or electric fields. The
Zeeman spectrum represents a magnetic field fingerprint. In
this work we present our investigations about rubidium
response to high magnetic fields in order to use it as magnetic
field probe in the range 0.1 T - 60 T. This work was carried out
in the framework of the RUHMA (RUbidium Atoms in High
MAgnetic fields) project. Our investigation opens the path
to magnetic field optical metrology, converting a
magnetic fi eld measurement into an optical
frequency determination . The principle of the experiment
is to compare experimental atomic spectra with computed
theoretical spectra, in order to extract the value of the
magnetic field strength. We performed our preliminary tests
in static magnetic fields, ranging from 0.06 T to 0.2 T. In this
framework we investigated in details some complex
spectroscopic structures due to the multi-level nature of the
atomic system. After this preliminary phase, the 1T-60T
range have been investigated using the pulsed magnets of
the Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses
in Toulouse. We carried out an effort of miniaturization of the
experimental setup in order to satisfy the constraints
imposed by high magnetic field experiments. We performed
metrology of pulsed magnetic field up to 58 T, which is the
highest field an atomic gas has never been exposed. The
accuracy of our method attained the level of 10 -4 .
La spectroscopie optique des atomes simples permet une mesure très précise des
propriétés atomiques et des perturbations extérieures, comme par exemple des champs
électriques ou magnétiques appliqués. Le spectre Zeeman correspond à une signature du
champ magnétique. Dans cette thèse nous présentons l'étude de la réponse du rubidium
aux champs magnétiques intenses, dans le but d'utiliser celle-ci comme une sonde de
champ magnétique dans l'intervalle de 0.1 T à 60 T. Ce travail a été réalisé dans le cadre
du projet RUHMA (RUbidium Atoms in High MAgnetic fields). Notre étude ouvre la voie à la
métrologie optique des champs intenses, en déterminant un champ magnétique grâce à
la mesure d'une fréquence optique. Le principe de l'expérience consiste à comparer les
spectres atomiques expérimentaux et les spectres théoriques calculés, afin d'obtenir la
valeur de l'intensité du champ. Nous avons réalisé des premiers tests en champ
magnétiques statiques, compris entre 0.06 T et 0.2 T. Dans ce régime, nous avons étudié
en détails les effets dus à la structure particulière des niveaux d'énergie du système
atomique: des configurations à trois ou quatre niveaux produisent des nouvelles
résonances et influencent l'amplitude des signaux observés . Après cette phase
préliminaire, le régime de champs intenses (entre 1 T et 60 T) a été exploré, en utilisant
les bobines pulsées du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de
Toulouse. L'une des tâches critiques de ce travail a été la miniaturisation du système
expérimental, dans le but de satisfaire les contraintes imposées par une expérience en
champ intense. Avec ce système nous avons pu étudier la métrologie des champs pulsés
jusqu'à environ 58 T , ce qui est, à ce jour, le champ le plus intense auquel un gaz
atomique n'a jamais été soumis. L'incertitude relative de notre méthode est de l'ordre de
10 -4 .