Self-oscillating clouds in magneto-optical traps
Nuages auto-oscillants dans des pièges magnéto-optiques
Résumé
In this Thesis, we study the fundamental aspects of self-oscillating atomic clouds in a large, balanced Magneto-Optical Trap (MOT). These instabilities bear analogies with astrophysical systems such as Cepheid variable stars, whose self-oscillations depend on radiation pressure and gravity, as well as technological systems such as confined plasmas, where self-oscillations may arise due to interactions between the plasma particles and the confining magnetic field. We begin with an experimental study of self-oscillating balanced MOT instabilities, investigating first the instability threshold behavior versus various MOT parameters, including magnetic field gradient, atom number and laser intensity. We proceed then investigating the spatio-temporal properties of the unstable regime and identify distinct instability regimes. Different analysis techniques are employed that allow us to learn about the oscillation modes of clouds of these regimes as well as the size distribution of the structures developing in clouds of these regimes. In a theoretical approach, we develop a kinetic 3D model for the MOT with many-atom effects included and successfully use it in numerical simulations of our instabilities. We find qualitative agreements with the instability thresholds from the experiments as well as predict experimentally obtained instability regimes. We investigate the impact of our model’s physical ingredients on the instabilities, to aid the understanding of the complex physics at work. Finally, we show a preliminary simulated result for a self-oscillating instability in the misaligned MOT, known to experimentally exist, in that way demonstrating that our developed numerical tool can be employed beyond the balanced MOT.
Dans cette Thèse, nous étudions les aspects fondamentaux des nuages atomiques auto-oscillants dans un grand piège magnéto-optique (MOT, de l’anglais Magneto-Optical Trap) équilibré. Ces instabilités présentent des analogies avec des systèmes astrophysiques tels que les étoiles variables (Céphéides), dont les auto-oscillations dépendent de la pression de radiation et de la gravitation, ainsi que des systèmes technologiques tels que les plasmas confinés, où des auto-oscillations peuvent survenir en raison des interactions entre les particules de plasma et le champ magnétique de confinement. Nous commençons par une étude expérimentale des instabilités dans un MOT équilibré, en étudiant d'abord le comportement du seuil d'instabilité par rapport à divers paramètres du MOT, y compris le gradient de champ magnétique, le nombre d'atome et l'intensité laser. Nous procédons ensuite à l'étude des propriétés spatio-temporelles du régime instable et identifions des régimes d'instabilité distincts. Différentes techniques d'analyse sont employées qui permettent d’identifier les modes d'oscillation du nuage dans chacun de ces régimes. Nous étudions également le comportement des distributions des tailles des structures spatiales qui se développent dans le nuage. Dans une approche théorique, nous développons un modèle cinétique 3D pour le MOT en prenant en compte les interactions entre atomes et l'utilisons avec succès dans des simulations numériques de nos instabilités. Nous trouvons des accords qualitatifs avec les seuils d'instabilité issus des expériences et prédisons les régimes d'instabilité obtenus expérimentalement. Nous étudions l’impact des ingrédients physiques de notre modèle sur les instabilités, afin de faciliter la compréhension de la physique complexe à l’œuvre. Enfin, nous montrons un résultat numérique préliminaire pour une instabilité dans un MOT désaligné, observée expérimentalement, démontrant ainsi que notre outil numérique peut être utilisé au-delà du MOT équilibré.
Origine : Version validée par le jury (STAR)