Réalisation d'un condesat de Bose-Einstein sur une microstructure
Résumé
The experiment described in this report is a part of the evolution in research in atomic physics towards the development of miniaturised devices to generate and manipulate coherent matter waves. This thesis presents the realisation of a Bose-Einstein condensate of a dilute gas of 87Rb atoms in a magnetic trap generated by a microfabricated structure, called atom chip. In our case, the chip is made of gold wires deposited on a silicon substrate by optical lithography and electroplating. This report decribes this experiment in its entirety, from initial motivations to the technical choices to the experimental results. Experimentally, a macroscopic magneto-optical trap is first loaded with atoms from a rubidium thermal source (dispenser), the magnetic field of this trap being generated by macroscopic coils located outside the vacuum chamber. Atoms are then transferred to a magneto-optical trap close to the surface of the atom chip, whose quadrupolar magnetic field is produced by the current circulating in a U-shaped microfabricated wire. Finally, atoms are trapped in a Ioffe-Pritchard type magnetic trap created by the current circulating in a Z-shaped wire on the same chip. The temperature of the magnetically trapped atomic is decreased by rf-evaporative cooling to reach Bose-Einstein condensation. When the height of the atomic cloud above the surface of the chip decreases, the cloud fragments into several pieces. This phenomenum corresponds to a potential roughness due to an inhomogeneïty of the current density in the Z-shaped wire.
L'expérience qui fait l'objet de cette thèse s'inscrit dans un contexte d'évolution de la recherche en physique atomique vers le développement de systèmes miniaturisés pour la génération et la manipulation d'ondes de matière cohérentes. Il s'agit de la réalisation d'un condensat de Bose-Einstein d'un gaz dilué d'atomes de 87Rb piégés par le champ magnétique d'une microstructure. Dans notre cas, cette microstructure, ou puce, est constituée de fils d'or de dimensions micrométriques, déposés sur un substrat de silicium par lithographie optique. Expérimentalement, les atomes désorbés par un filament de rubidium sont chargés et refroidis dans un piège magnéto-optique dont le champ magnétique est créé par des bobines macroscopiques extérieures au système à vide. Le nuage est ensuite transféré dans un second piège magnéto-optique proche de la surface de la puce, et dont le champ magnétique quadrupolaire est généré en partie par un fil microfabriqué en forme de U. Un second transfert place les atomes dans un piège magnétique de type Ioffe-Pritchard utilisant le champ magnétique créé par un deuxième fil en forme de Z. L'échantillon piégé magnétiquement proche de la surface de la puce est alors refroidi par évaporation radio-fréquence jusqu'à atteindre la condensation de Bose-Einstein. Lorsqu'on approche le nuage d'atomes froids de la surface des fils, celui-ci se fragmente. Ce phénomène traduit une rugosité du potentiel de piégeage due à l'inhomogénéïté de la densité de courant dans le microfil en Z. Ce manuscrit présente la réalisation de cette expérience dans son intégralité, des motivations initiales aux résultats expérimentaux obtenus, et décrit l'ensemble des choix technologiques que nous avons effectués pour concevoir ce dispositif et parvenir à ces résultats.
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