From Bose-Einstein condensation to the atomic Hanbury Brown & Twiss effect for metastable helium
De la condensation de Bose-Einstein à l'effet Hanbury Brown & Twiss atomique de l'hélium métastable
Résumé
This thesis addresses the quantitative verification of a quantum effect. The measure is proposed for a gas of metastable atoms in the temperature range of one microkelvin.
One knows that atoms of bosonic nature obey a quantum statistic which is similar to photons' one. Hence, when arriving on a detector, bosons tend to group, which is the bosonic bunching effect. To show it, one can measure the probability to detect a boson during a time set which is delayed compared to the arrival of a first boson. This gives the correlation function of the particle flux. This signal has been observed with photons. It should be possible to observe it as well with atoms : this is precisely what this work demonstrates.
We thus focus on the experimental realization of a measure of boson bunching. The measure is carried on metastable helium atoms near the transition temperature (towards Bose-Einstein condensation). To do so, we start from an experimental set-up which proved to condense metastable helium. We investigate theoretically how much the effect shows up in this experimental configuration. In particular we argue that the signal can be observed after time of flight of the atoms, and we predict its shape in the case of condensed and uncondensed atoms : the correlation function flattens when atoms condense. We then present the detector : this delay line-based system counts atoms, it is position sensitive and it has a very good temporal resolution. We finally describe the experimental work on the set-up; in the end this led to the measure of the bunching effect.
One knows that atoms of bosonic nature obey a quantum statistic which is similar to photons' one. Hence, when arriving on a detector, bosons tend to group, which is the bosonic bunching effect. To show it, one can measure the probability to detect a boson during a time set which is delayed compared to the arrival of a first boson. This gives the correlation function of the particle flux. This signal has been observed with photons. It should be possible to observe it as well with atoms : this is precisely what this work demonstrates.
We thus focus on the experimental realization of a measure of boson bunching. The measure is carried on metastable helium atoms near the transition temperature (towards Bose-Einstein condensation). To do so, we start from an experimental set-up which proved to condense metastable helium. We investigate theoretically how much the effect shows up in this experimental configuration. In particular we argue that the signal can be observed after time of flight of the atoms, and we predict its shape in the case of condensed and uncondensed atoms : the correlation function flattens when atoms condense. We then present the detector : this delay line-based system counts atoms, it is position sensitive and it has a very good temporal resolution. We finally describe the experimental work on the set-up; in the end this led to the measure of the bunching effect.
Cette thèse étudie la faisabilité d'une mesure qui vise à vérifier quantitativement un effet quantique. La mesure est proposée pour un gaz d'hélium métastable refroidi dans la gamme du microkelvin.
Il est connu que les atomes obéissent à une statistique quantique qui, si les atomes sont des bosons, est similaire à celle des photons. L'effet de groupement de bosons en est une conséquence: sur un détecteur, les bosons arrivent préférentiellement groupés. On le met en évidence en mesurant la probabilité de détection d'un boson dans une fenêtre de temps, retardée par rapport à l'arrivée d'un premier boson. Ceci nous donne la fonction de corrélation du flux de particules. Ce signal a été observé avec des photons. Il doit pouvoir l'être avec des atomes : c'est précisément ce que ce travail démontre.
On étudie donc la réalisation expérimentale d'une mesure de groupement de bosons, effectuée sur des atomes d'hélium métastable refroidis au voisinage de la température de transition (vers le condensat de Bose-Einstein). Pour ce faire, nous partons d'un dispositif expérimental qui a montré la condensation de l'hélium métastable. On prévoit quantitativement comment l'effet se manifeste sur un tel montage. On justifie notamment que le signal est observable après temps de vol des atomes, et on prédit sa forme dans le cas d'atomes condensés ou non : la fonction de corrélation s'aplatit quand les atomes se condensent. On présente ensuite le détecteur utilisé : c'est un système de comptage d'atomes sensible en position et très bien résolu en temps, à base de lignes à retard. On décrit enfin le travail expérimental sur le montage, travail qui a permis d'aboutir à la mesure de l'effet de groupement.
Il est connu que les atomes obéissent à une statistique quantique qui, si les atomes sont des bosons, est similaire à celle des photons. L'effet de groupement de bosons en est une conséquence: sur un détecteur, les bosons arrivent préférentiellement groupés. On le met en évidence en mesurant la probabilité de détection d'un boson dans une fenêtre de temps, retardée par rapport à l'arrivée d'un premier boson. Ceci nous donne la fonction de corrélation du flux de particules. Ce signal a été observé avec des photons. Il doit pouvoir l'être avec des atomes : c'est précisément ce que ce travail démontre.
On étudie donc la réalisation expérimentale d'une mesure de groupement de bosons, effectuée sur des atomes d'hélium métastable refroidis au voisinage de la température de transition (vers le condensat de Bose-Einstein). Pour ce faire, nous partons d'un dispositif expérimental qui a montré la condensation de l'hélium métastable. On prévoit quantitativement comment l'effet se manifeste sur un tel montage. On justifie notamment que le signal est observable après temps de vol des atomes, et on prédit sa forme dans le cas d'atomes condensés ou non : la fonction de corrélation s'aplatit quand les atomes se condensent. On présente ensuite le détecteur utilisé : c'est un système de comptage d'atomes sensible en position et très bien résolu en temps, à base de lignes à retard. On décrit enfin le travail expérimental sur le montage, travail qui a permis d'aboutir à la mesure de l'effet de groupement.
Domaines
Physique Atomique [physics.atom-ph]
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