Création et étude de sources d'états non classiques pour l'optique atomique quantique

Jean-Christophe Jaskula

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Création et étude de sources d'états non classiques pour l'optique atomique quantique

Jean-Christophe Jaskula (

)¹

1:	LCFIO - Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique

Ce mémoire rapporte les résultats de plusieurs expériences mettant en jeu des nuages ultra-froids d'hélium métastable. Deux thématiques différentes sont abordées au cours de cette thèse : l'optique atomique quantique et l'étude des propriétés collisionnelles inter-spin. Les premières études présentées ont été réalisées sur un ensemble de paires d'atomes corrélés créé par collision entre deux condensats de Bose-Einstein. Ce processus peut être vu comme un analogue de la conversion paramétrique en optique photonique quantique. Une étude fine des propriétés géométriques du halo de collisions a indiqué une déformation de celui par rapport à la forme sphérique attendue pour une collision en onde S. Nous avons montré que cet effet tire son origine de l'interaction entre atomes et de la dynamique du processus. Par ailleurs, l'étude statistique de ces paires d'atomes corrélés a permis de mettre en évidence une réduction des fluctuations sous le bruit de grenaille de la différence du nombre d'atomes entre deux zones opposées. Ce résultat est un nouvel indice sur la nature des états quantiques créés qui présentent très certainement un réel intérêt dans l'interférométrie atomique et la violation d'inégalités de Bell avec des atomes neutres. Nous décrivons également le piège optique qui a été mis en place et utilisé pour une partie de ces expériences et dont les caractéristiques permettent d'utiliser au mieux notre détecteur d'atomes uniques. Nous avons pu, à l'aide de ce dispositif, mesurer les stabilités relatives de certains états de spin de l'hélium métastable et prouver qu'il est possible de mener des expériences sur des mélanges de spins selon certaines conditions.

Defence date	2010-12-10
	Physique, optique
Library	Institut d’Optique Graduate School
Keywords	Condensats de Bose-Einstein – Optique atomique quantique – Mélanges à quatre ondes – Collisions élastiques – Piégeage optique – Mélanges de spin – Ionisation Penning
English title	Creation and characterization of non-classical states for quantum atom optics
English abstract	We report the results of few experiments on ultra-cold gases of metastable helium which tackle two topics : quantum atom optics and collisional properties between different spin-states. The first bunch of studies presented in this thesis have been carried out on a set of correlated atom pairs created by collision between two Bose-Einstein condensates which might be seen as an analogous of parametric down conversion in quantum photon optics. Contrary to an ideal s-wave scattering distribution, however, we find that the scattered halo is not uniform and spherical, but instead has an angle dependent thickness and radius due to the interactions between atoms. In addition, by considering opposing regions of the halo, we observe relative number squeezing whereas relative atom number distributions between nonopposing regions show a poissonnian behaviour. This leads us to believe that the quantum states of the correlated pairs are not only inherently fascinating , but they also have the potential to improve sensitivity in atom interferometers. Moreover, these pairs should be entangled and are thus well suited to investigations of (nonlocal) EPR entanglement and Bell's inequalities using atoms. Then, we give a detailed description of our new optical trap which permits us to best match the resolution characteristics of our delay-line anode microchannel plate detector capable of registering single atoms in the three dimensions of the space. We also confirm the stability of certain spin-state combinations of metastable helium to two-body inelastic processes, which gives the scope of future experiments using optically trapped spin mixtures.
English keyword	Bose-Einstein condensates – Quantum atom optics – Four-wave mixing – Elastic collisions – Optical traps – Spin mixtures – Penning Ionization

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Introduction

1 Sur la route des corrélations quantiques
1.1 De l'optique quantique...
1.1.1 L'interféromètre de Hanbury Brown et Twiss
Fonctions de corrélations
1.1.2 Création de paires de photons individuelles
1.1.3 Etats comprimés
1.1.4 Intrication et calcul quantique
1.2 ... à l'optique atomique quantique
1.2.1 Corrélations atomiques dans un nuage froid
Gaz thermique de bosons
Condensats de Bose-Einstein
Fermions
1.2.2 Mélanges à quatre ondes de matière
1.2.3 Etats atomiques comprimés
1.3 Conclusion

2 Sources de paires atomiques fortement corrélées
2.1 Sources de paires atomiques de par le monde
2.2 Mélanges à quatre ondes de matière spontanés
2.2.1 Point de vue théorique
2.2.2 Génération expérimentale : collisions entre deux condensats
Diffusions stimulées
Extraction d'un condensat hors du piège
Division du condensat
2.2.3 Résultats préliminaires
Une multitude de condensats
Analyse informatique
2.3 Conditions d'accord de phase
2.3.1 Modèle simple
2.3.2 Traitement préliminaire
2.3.3 Résultats
2.3.4 Interprétation physique
Conservation énergie
Effet géométrique de la collision
2.3.5 Dépendance de cet effet avec le nombre d'atomes
2.3.6 Analogie avec l'optique photonique
2.3.7 Conclusion
2.4 Réduction des fluctuations de la différence de populations
2.4.1 Principe
2.4.2 Motivation
Gain des états non classiques pour l'interférométrie atomique
2.4.3 Procédure d'analyse
2.4.4 Difficultés expérimentales avec le piège magnétique
Contraintes techniques
Résultats expérimentaux
Robustesse des résultats observés
2.4.5 Une approche expérimentale différente
Le nouveau montage expérimental
Des données différentes : quels gains ?
Fonctions de corrélations : régime 1D et fluctuations de phase.
2.4.6 Résultats dans le piège dipolaire
2.4.7 Sources de bruits
Rôle de la détectivité
Sources de bruits à un atome
Effets de bords
2.4.8 Conclusion
2.5 Sources de paires directionnelles
2.5.1 Introduction
2.5.2 Mélanges à quatre ondes : collisions entre condensats très anisotropes
2.5.3 Instabilités dans un réseau optique
2.5.4 Montage expérimental du réseau : perspectives.
2.6 Conclusion

3 Piégeage optique de nuages ultra-froids d'hélium métastable
3.1 Potentiels lumineux
3.1.1 Généralités
3.1.2 Nos motivations physiques.
3.2 Piège dipolaire
3.2.1 Caractéristiques physiques
3.2.2 Construction du banc optique
3.2.3 Electronique
3.2.4 Piégeage d'un nuage froid
3.3 Résultats préliminaires.
3.3.1 Artefacts de reconstruction.
3.3.2 Quasi-condensats
3.3.3 Largeurs de corrélations inattendues.
3.4 Conclusions

4 Mélanges de spins
4.1 Introduction
4.1.1 Collisions inélastiques
4.1.2 Collisions élastiques entre atomes d'hélium métastable polarisés
4.2 Création des mélanges de spins.
4.2.1 Balayages de fréquences RF
4.2.2 Dispositif de Stern-Gerlach
4.3 Suppression des processus inélastiques de ⁵Σ_g
4.3.1 Potentiels moléculaires de l'hélium métastable
4.3.2 Réduction des collisions Penning
4.4 Mesure des constantes de collisions inélastiques rédominantes
4.4.1 Modélisation
4.4.2 Application aux données expérimentales
4.4.3 Taux de pertes global
4.5 Conclusion

Conclusion

A Montage expérimental
A.1 L'atome d'Hélium
A.2 Refroidissement d'un gaz monoatomique.
A.2.1 Séquence générale
Déviation de la séquence lors d'un transfert dans le piège optique
A.2.2 Eléments optiques
A.2.3 Système à vide
A.3 Détection 3D d'atomes uniques
A.3.1 Galettes à micro-canaux.
A.3.2 Lignes à retard
A.3.3 Traitement électronique et informatique des données brutes
A.3.4 Détectivité
A.3.5 Résolution
A.3.6 Calibration de la taille des pixels

B Articles scientifiques
Spontaneous Four-Wave Mixing of de Broglie Waves : Beyond Optics
Bose-Einstein Condensation and Spin Mixtures of Optically Trapped Metastable Helium
Sub-Poissonian number differences in four-wave mixing of matter waves

Bibliographie

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