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Olivier Sirjean

Soutenance de thèse de doctorat, 27 Juin 2003. Collisions ionisantes : un nouveau diagnostic pour les condensats de Bose-Einstein d’hélium métastable. Olivier Sirjean. La condensation de Bose-Einstein. k B T. k B T. L. d = n -1/3. Longueur d’onde de de Broglie thermique :.

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Presentation Transcript

  1. Soutenance de thèse de doctorat, 27 Juin 2003 Collisions ionisantes :un nouveau diagnostic pour les condensats de Bose-Einstein d’hélium métastable Olivier Sirjean

  2. La condensation de Bose-Einstein kBT kBT L d = n-1/3 • Longueur d’onde de de Broglie thermique : Critère : n L3 ~ 1 , avec   1/T 1/2

  3. Pourquoi obtenir un CBE ? • Source cohérente d’ondes de matière pour l’Optique Atomique ("laser à atomes").  interférences, battements … • Fluide quantique dilué et au-delà,... •  modélisation simple des interactions. •  lien avec la superfluidité. 1995 : Première observation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein dans un gaz dilué de rubidium. Prix Nobel de Physique 2001.

  4. 1 canal du MCP e- 2 kV Particularités de l’hélium métastable • 4He dans l’état 2 3S1 (He*). • Originalité de l’He* He* He+ 20 eV d’énergie interne  détection électronique rapide et efficace.  collisions Penning. He* + He*  He + He+ + e- Observation des ions produits par le condensat nouveau diagnostic.

  5. 1 canal du MCP e- 20 eV d’énergie interne  détection électronique rapide et efficace. Particularités de l’hélium métastable • 4He dans l’état 2 3S1 (He*). • Originalité de l’He* He* He+  collisions Penning. He* + He*  He + He+ + e- Observation des ions produits par le condensat nouveau diagnostic.

  6. Atomes métastables He*, Ne*, Ar*, Kr*, Xe* { C. Westbrook, A. Aspect IOTA, Orsay Australie Allemagne France Japon Pays Bas USA M. Leduc, C. Cohen-Tannoudji ENS, Paris He* W. Hogervorst, W. Vassen Amsterdam { G. Birkl, W. Ertmer Hannovre Ne* H.C.W. Beijerinck, E.J.D. Vredenbregt Eindhoven

  7. Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

  8. Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

  9. Piège Cloverleaf @ 240 A : B0 : 0.3 to 200 G ; B’ = 87 G / cm ; B’’= 16 G / cm2 z / 2 = 47 Hz ;  / 2 = 1800 Hz (1200 Hz) Piège magnéto-optique : Piege magnétique : 108 At @ 1mK 106 At @ 1mK Réalisation expérimentale

  10. Refroidissement évaporatif Distribution d’énergie = e-E/kBT * (densité d’état) E b - e . ) E ( g n n h h n h é n e r g ie R F R F 1. Troncature de la distribution d’énergie 2. Thermalisation Grâce aux collisions élastiques T diminue ldBetr augmentent !!

  11. Nth , T , N0 , µ • Ajustements  Détection des atomes : le temps de vol Double structure  Signature du CBE Evolution des signaux observés après la coupure du piège au cours de l’évaporation. h g MCP

  12. He+ -30 V Discri. Temps Mort Compteur PCI Enregistrement : Temps entre chaque impact. Analyse : Flux en fonction du temps. Détection des ions Comptage  signal à bruit limité par « bruit de grenaille »

  13. Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi en direct et non perturbatif de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

  14. Collisions avec le gaz résiduel :Mesures de durée de vie He* + X He (11S0) + e - + X+ Exemple : X = H2O  indépendant de la densité   Nombre d’atomes

  15. Ions + atomes Atomes Ions Collisions avec le gaz résiduel :Evolution du nombre d’atomes

  16. Collisions à 2 et 3 corps :Suivi de la densité du nuage He* +He*  He (11S0) + He+ + e - He* +He* +He*  He*(1 mk) + He (11S0) + He+ + e - Dépend de la densité !

  17. Naissance du condensat Flux d’ions détecté (cps/s) Temps(s) Temps de Vol

  18. Au seuil ! Apres ! Avant ! Fonction Bose Gaussienne Naissance du condensat Flux d’ions détecté (cps/s) Temps de Vol

  19. CBE dilué Expression du taux d’ions He* +He*  He (11S0) + He+ + e - He* +He* +He*  He*(1 mk) + He (11S0) + He+ + e -

  20. Total 3 corps 2 corps 1 corps Simulation de la formation

  21. Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

  22. t1 2 s CBE t1 + 0.1 s 0.01 s CBE Principe des mesures Méthode : Mesurer : Φi , N , n pour un même échantillon • Sur CBE pur ! Difficulté : Mesurer les grandeurs de façon absolue ! Temps de vol : N et n via m

  23. Approximation T-F Mesures sur des condensats purs : paramétrisation Mesure de m n0 et N

  24. Pour des condensats dilués : fonctions de corrélation locales Shlyapnikov Cornell, Wieman Shlyapnikov Correction importante (e ~ 0.25 pour les densités les plus élevées) Même si le N (déplétion quantique) est faible ( qq % ) Collisions à 2 corps : correction 2 fois plus faible Mesures sur des condensats purs : effet des interactions Mais : grande longueur de diffusion  effet des interactions important Prise en compte de la Déplétion quantique

  25. Mesures sur des condensats purs • Pour chaque point : • N et n0 via m (TOF) et Taux d’ions • Vérification CBE pur (>90%) Ajustement  (b , L) pour chaque valeur de a courbure  3-corps (L) joue un rôle non-négligeable !!

  26. Mesures sur des condensats purs : Résultats Prédictions théoriques Dépendance due paramétrisation

  27. Flux d’ions détecté (cps/s) Mesure de Tc  ns et Ns Temps (s) Indépendant de a ! Mesures sur des nuages thermiques au seuil : paramétrisation

  28. Mesures sur des nuages thermiques au seuil

  29. Résultats Res. Bec purs Prédictions théoriques Res. Therm. seuil Dépendance due paramétrisation Res. Therm. seuil Res. Bec purs

  30. Résultats Erreur systématique : Efficacité absolue de détection des ions Erreur Statistique Autre erreur systématique à étudier : effet d’une expansion dans le régime hydrodynamique

  31. Plan de l’exposé Introduction : Condensats de Bose et Intérêt de l’He* A) Obtention des condensats d’He* et détection - mise en oeuvre expérimentale - détection des atomes - détection des ions B) Le signal d’ions - nouveaux diagnostics - suivi non-perturbatif et en direct de la naissance du condensat C) Mesures des constantes de collisions - principe - mesures sur les condensats purs - mesures sur les nuages thermiques au seuil de condensation Conclusion et perspectives

  32. Conclusion et perspectives Atomes métastables  Signal d’ionisation un signal • supplémentaire, complémentaire • en temps réel • “non-perturbatif” • - qualitativement rupture de pente : apparition du CBE • - collisions à 3 corps importantes • vers du quantitatif : mesures de b et L (pour quelle valeur dea • nos résultats sont cohérents) Nous espérons (meilleure calibration de N, ou mesure indpt de a ) -Montrer expérimentalement * le déplacementdû aux interactions * l’effet de la déplétion quantique -suivre quantitativement laformation du CBE en une seule réalisation

  33. Merci à ... • L’équipe He* Antoine Browaeys Alice Bobert Denis Boiron Signe Seidelin Chris Westbrook José Gomes Alain Aspect Rodolphe Hoppler Martejn Schellekens • Le groupe d’Optique Atomique et ses électroniciens André Villing Frédéric Moron • Les différents services de l’IOTA Le service des TP L’atelier de mécanique Le service technique L’atelier du verre L’accueil-reprographie,…

  34. L’équipe He*

  35. He+ -30 V Discri. Temps Mort Compteur PCI Enregistrement : Temps entre chaque impact. Analyse : Flux en fonction du temps. Fit donne F=49(±1) 103  Pas de double comptage Détection des ions

  36. Et la décroissance…. Bouclier-rf Sans Bouclier-rf

  37. Raman transitions 2 faisceaux co-propageants (non-sélectif en vitesse) Avec polarisation s+ et p

  38. Densité dans l’approximation de champ moyen : Interactions 1. Ordre perturbation (Stringari) Énergie de point zéro Interactions

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