Observation of correlated atom pairs in spontaneous four wave mixing of two colliding Bose-Einstein condensates

Observation de paires d'atomes corrélés au travers de la collision de deux condensats de Bose-Einstein

Aurélien Perrin (1)

1 laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique / Optique atomique

In this thesis, we report on the observation of pairs of correlated atoms produced in the collision of two Bose-Einstein condensates of metastable helium. Three laser beams perform a Raman transfer which extracts the condensate from the magnetic trap and separates it into two parts with opposite mean momenta. While the condensates propagate, elastic scattering of pairs of atoms occurs, whose momenta satisfy energy and momentum conservation laws. Metastable helium atoms large internal energy allows the use of a position-sensitive, single-atom detector which permits a three-dimensional reconstruction of the scattered atoms' momenta. The statistics of these momenta show correlations for atoms with opposite momenta. The measured correlation volume can be understood from the uncertainty-limited momentum spread of the colliding condensates. This interpretation is confirmed by the observation of the momentum correlation function for two atoms scattered in the same direction. This latter effect is a manifestation of the Hanbury Brown-Twiss effect for indistinguishable bosons. Such a correlated-atom-pair source is a first step towards experiments in which one would like to confirm the pairs' entanglement.

Dans ce mémoire, nous présentons les études réalisées pour permettre l'observation de paires d'atomes corrélés produites lors de la collision de deux condensats de Bose-Einstein d'hélium métastable. Un système basé sur l'utilisation de trois faisceaux laser permet la réalisation d'un transfert Raman qui extrait d'un piège magnétique et sépare en deux parties d'impulsions moyennes opposées le condensat produit expérimentalement. Des processus de collisions élastiques, intervenant pendant la propagation des condensats, sont à l'origine de la diffusion de paires d'atomes dont les impulsions satisfont aux lois de conservation de l'énergie et de l'impulsion. La grande énergie interne des atomes d'hélium métastable rend possible l'utilisation d'un détecteur d'atome unique basé sur l'utilisation de galettes de microcanaux et sensible en position, donnant accès à une reconstruction tridimensionnelle des impulsions des atomes diffusés lors de la collision. L'étude de la statistique de ces impulsions permet la mise en évidence de corrélations entre les atomes diffusés, d'impulsions opposés. Le volume de corrélation mesuré peut être rapproché de l'extension de la distribution d'impulsion du condensat initial, elle même limitée par le principe d'incertitude de Heisenberg. Cette interprétation est confirmée par l'observation de corrélations entre les atomes diffusés dans une même direction. Un tel effet correspond à une manifestation de l'effet Hanbury Brown et Twiss pour des bosons indiscernables. La mise en place d'une telle source de paires d'atomes corrélés constitue un premier pas vers la réalisation d'expériences où l'intrication des paires produites pourra être confirmée.

Mots clés: Cold atoms; Atom optics; Bose-Einstein condensates; Four-wave mixing; Elastic collisions; Hanbury Brown-Twiss effect

Mots clés: Atomes froids; Optique atomique; Condensat de Bose-Einstein; Mélange à quatre ondes; Collisions élastiques; Effet Hanbury Brown et Twiss

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Aurélien Perrin. Observation de paires d'atomes corrélés au travers de la collision de deux condensats de Bose-Einstein. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00244641⟩