Piégeage des atomes avec le piège dipolaire


Pour observer la localisation d'Anderson, il est nécessaire de satisfaire le critère Ioffe-Regel qui lie le libre parcours moyen et la longueur d'onde:

Vue que l dépend de la densité spatiale:

Le critère peut être satisfait avec des densités très grandes. En exprimant la longueur d'onde avec le nombre d'onde k, on obtient le critère de la forme suivante:

Ce qui correspond à une concentration de l'ordre de 10¹⁴ atomes/cm³.

Le nuage d'atomes froids peut être utilisé en tant que milieu dans lequel on pourrait observer la localisation. Il possède plusieurs avantages. En effet, les techniques de piégeage et de refroidissement d'atomes ont beaucoup évolué ces derniers temps. Celles-ci permettent d'obtenir un milieu dont on peut aisément contrôler les paramètres, notamment la densité spatiale.

Les pièges d'atomes neutres sont réalisés grâce à trois types d'interactions:

1. Le piège de pression de radiation repose sur l'interaction d'un atome avec la lumière légèrement désaccordée. Les températures atteintes sont de l'ordre de quelques K.
2. Le piège magnétique est basé sur la force dipolaire magnétique induite par un champ non-homogène. Les températures atteintes sont de l'ordre de quelques centaines de µK.
3. Le piège dipolaire trouve sa source dans l'interaction entre un dipôle électrique et la lumière largement désaccordée. Les températures typiques se situent en dessous du mK (voire 30 µK).

Puisque le piège dipolaire a une hauteur relativement basse, les atomes doivent être déjà refroidis. C'est pour cela que la première phase du piégeage consiste à construire le piège magnéto-optique (MOT). Les atomes de rubidium sont placés dans la boîte en quartz dans laquelle on a réalisé un vide de 10^-8 mbar. Tout d'abord, ils se trouvent à la température ambiante, puis le piège magnéto-optique les refroidit. Le refroidissement est réalisé par l'effet Doppler. Après la phase de MOT, la concentration des atomes est de l'ordre de 10¹⁰ atomes/cm³, ce qui correspond à

Après cette phase, le MOT est éteint et le nuage d'atomes est seulement entouré par le piège dipolaire. Le rayon du piège est progressivement réduit afin de comprimer davantage le gaz d'atomes. Jusqu'ici, on a obtenu une concentration de l'ordre de 10¹³ atomes/cm³. Mais malheureusement, les atomes s'échappent du piège dipolaire, sans aboutir au seuil de localisation. En effet, sans le refroidissement, les atomes gagnent très vite en énergie: c'est ce qu'on appelle le « chauffage ». Ce chauffage peut être provoqué par plusieurs facteurs. Nous en avons traité un: la fluctuation temporelle de la force dipolaire.

La force dipolaire dérive du potentiel:

avec le paramètre de saturation

Le désaccord est la différence entre la fréquence de l'onde et la fréquence atomique :

En fonction du signe de désaccord , on obtient deux types de potentiel:

1. Au dessous de la résonance atomique ( <0), le potentiel est négatif et les atomes sont attirés par le champ lumineux. Le piège se comporte comme un puits de potentiel. On dit qu'il est désaccordé dans le rouge.
2. Au dessus de la résonance atomique ( >0), le potentiel est positif. Le piège se comporte comme une barrière de potentiel qui repousse les atomes. Dans ce cas, il s'agit d'un piège désaccordé dans le bleu. C'est précisément ce piège que nous avons étudié.

Pour un désaccord grand devant la largeur naturelle, et pour une lumière non saturante(s<<1), l'expression de la force dipolaire se simplifie pour donner:

Afin que l'atome ne puisse pas s'échapper du piège, il est nécessaire que le faisceau laser tourne à une fréquence relativement élevée. Ainsi, l'effet de la force dipolaire n'est pas constant au cours du temps. Au contraire, elle est transmise en plusieurs « coups » à l'atome lorsque celui-ci interagit avec le champ lumineux. Le temps d'interaction n'étant pas constant, cela induit une incohérence entre les différents coups. C'est précisément le fluctuation de la force dipolaire.