• Le laser atomique L'atome froid

     

    PHYSIQUE DES ONDES

    ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

    RUBRIQUE N° 11 Le laser atomique L'atome froid

    Par Paul Bouchard Le 10/02 2016

    1) INTRODUCTION

    Cette rubrique N°11 est la suite logique des N° 8, 9 et surtout N°10. Il est donc indispensable, avant d'aborder cette nouvelle extension à l'atome froid, de prendre connaissance en premier des hypothèses de base de notre thèse exposée dans le blog ''paulpb eklablog.fr'', ensuite de notre présentation des lasers sonores (N°8) et optiques (N°9) puis de l'étude des niveaux énergétiques des électrons dans l'atome ainsi que de la notion de chaleur (N°10). La lecture de notre rubrique N°3 qui traite de la supraconductivité est également indispensable. Dans la présente rubrique N°11 nous espérons montrer que le principe de fonctionnement du laser s'applique également à la matière. Nous voulons poursuivre l'explication du rôle essentiel joué par le phénomène de résonance et par l'électron, onde électromagnétique, dans la relation ''lumière et matière''. Nous verrons quelles sont les conditions à créer pour réaliser une expérience de refroidissement d'atomes à la température voisine du zéro absolu.

    Dans le domaine du refroidissement des atomes, les recherches en cours relèvent de la physique expérimentale. Je n'ai aucun accès à ce domaine autre que les publications sur internet des laboratoires et des physiciens qui travaillent sur ces questions. Je dois citer en exemple l'article :

    ''De la lumière laser aux atomes ultra-froids'' qui expose ''La physique des atomes froids présentée en termes simples par l'équipe "atomes ultra-froids" du Laboratoire Kastler Brossel, dirigée par Claude Cohen-Tannoudji*.

    *Prix Nobel de Physique 1997, avec Steven Chu et William D. Phillips, pour "le développement de méthodes pour refroidir et piéger des atomes avec des faisceaux laser''.

    Une autre page d'internet m'a beaucoup intéressé, la voici :

    ''Les condensats de Bose-Einstein Jean Dalibard, Laboratoire Kastler Brossel, Ecole normale supérieure Conférence à l’UTLS, le 22 juin 2005''.

    Le travail que je me suis assigné est, en premier lieu, d'assimiler les connaissances fournies par les diverses publications, de connaître les lasers, leur historique, leur fonctionnement, leurs possibilités et leurs limites, de comprendre les théories et les expérimentations qui ont permis leur découverte et leur mise en œuvre. J'ai abordé, avec difficulté, le domaine de la spectroscopie en relation avec les configurations atomiques et la complexité des bases de la ''mécanique quantique'' interne à l'atome. D'autre part j'ai réétudié les problèmes posés par l'interaction entre la lumière et la matière au niveau de l'atome appelée ''optique quantique'', qui sont traités par les physiciens des particules dans toutes les thèses et études d'un point de vue ''mécanique'', ce qui les amène souvent à sous-estimer l'aspect ondulatoire qui est celui de notre thèse.

    J'ai tenté dans les précédentes rubriques, d'expliquer les phénomènes observés en tenant compte principalement des propriétés des ondes et en conformité avec les hypothèses de mon blog. Dans la même optique, je vais donc poursuivre l'étude de l'application des lasers au refroidissement des atomes. Le froid pour l'atome signifie énergie minimum et orbite fondamentale, également proximité du noyau. La composante magnétique de l'électron (son onde de structure), en liaison avec son onde énergétique, prend donc une place importante. Il convient donc de réactualiser nos connaissances sur la structure et l'énergie internes à l'atome.

    2) INFLUENCE DE L'ONDE DE STRUCTURE DE L'ELECTRON

    Dans les précédentes rubriques nous avons concentré notre attention sur la composante énergétique de notre onde électromagnétique (l'électron). Nous avons constaté que, dans l'atome, les électrons se placent sur des orbites correspondant à des niveaux d'énergie (n) qui sont des harmoniques (sphériques) du niveau fondamental. Pour les premiers niveaux (n = 1,2 et 3) (orbite K,L,M,) qui sont peu remplis d'électrons, la règle de remplissage (capacité maximum = 2,8,18,32...) est bien respectée. A partir de l'élément potassium dont l'atome comporte 19 électrons, il est nécessaire d'ajouter des niveaux supplémentaires (l) = 0, 1, 2, 3, 4..., des sous-orbites qui s'intercalent entre les orbites principales précédentes. Une couche (n) peut comporter n sous-couches. On peut considérer ces sous-couches électroniques comme des sous-harmoniques de chaque niveau principal (n). Ces sous niveaux sont appelés orbites ls, lp, ld, lf, lg.... Chaque sous niveau est également soumis à une règle de remplissage (capacité maximum = 2,6,10,14,18...) et donc à une règle de répartition des électrons entre ces sous orbites. La physique quantique explique que ces sous orbites ''déterminent la géométrie de l'orbitale atomique'' et ''quantifient le moment cinétique de l'électron''. En fait, il est important de savoir que ces sous orbites sont dépendantes d'un 3ème nombre quantique (m) appelé nombre quantique magnétique qui est ''polarisé'' ( + et -). Ce dernier donne le nombre d'orbitales d'un même type qui ont la même énergie. La théorie quantique donne à ces orbitales de même type, le nom de ''dégénérées'', et indique (selon Wikipédia) qu'elles :

    << correspondent aux différentes orientations que peut prendre l'orbitale dans un champ magnétique extérieur. Ce nombre quantique magnétique m est quantifié, c'est-à-dire qu'il ne peut acquérir que les valeurs entières entre (-l) et (+l), où (l)(la lettre) donne la valeur du nombre quantique secondaire : (l), (l)-1, (l)-2, … 0, -1, -2, … (-l). Initiée par la découverte de l'effet Zeeman, l'introduction du nombre magnétique explique ''la levée de dégénérescence énergétiques des orbitales en présence d'un champ magnétique'', et donc la structure ''hyperfine'' des raies spectrales. >>

    Cela est un peu compliqué à comprendre, et donc à expliquer, d'autant plus qu'un 4ème nombre  quantique  vient  s'ajouter  aux  3  autres,  c'est  le  nombre  quantique  de  spin,  il << permet de quantifier le moment cinétique intrinsèque de l'électron. Il définit l'orientation de l'électron dans un champ magnétique >> Toute cette ''réglementation'' fonctionne, mais avec des exceptions de plus en plus nombreuses au fur et à mesure qu'augmente le nombre d'électrons de l'atome, c'est à dire à mesure qu'augmente le numéro atomique de l'élément dans le tableau périodique de Mendeleïev.

    L'électron de notre blog, onde double, qui est LA véritable onde électromagnétique, autorise une explication à la fois plus générale et plus ''simpliste''. Au fur et à mesure que l'atome comporte un nombre plus élevé d'électrons à placer sur des orbites de plus en plus rapprochées, l'influence mutuelle de leurs ondes transversales de structure (magnétiques et polarisées), se fait sentir et vient perturber l'ordonnancement des orbites principales, telle que les règles quantiques l'ont déterminé pour les éléments les plus simples. L'atome d'hydrogène est bien le plus simple de tous. C'est pourquoi nous l'avons étudié en détail dans la précédente rubrique. Nous avons cependant remarqué déjà, l'influence de l'onde transversale magnétique qui, si la résolution du microscope est suffisante, montre également pour l'hydrogène un (faible) dédoublage des raies.

     3) LE NOYAU CENTRE DE STRUCTURE DE L'ATOME

    Notre onde transversale de l'électron est en rapport magnétique avec le noyau de l'atome. C'est la structure de l'ensemble des électrons, en liaison avec la structure des nucléons (protons et neutrons), qui constituent l'atome, structure de base de la matière. Le niveau d'énergie de la matière est variable en fonction des ''influences'' extérieures (ondes de type lumière), mais la ''structure'' de la matière demeure, ferme, et surtout extrêmement puissante à courte distance, par rapport au niveau d'énergie des électrons dans un atome.

    Rappelons également qu'une goutte d'eau contient un nombre de molécules de :

    mille milliards de milliards = 10 puissance 21 molécules, chaque molécule contenant : 

    2 atomes d'hydrogène + 1 d'oxygène, soit 10 électrons.

    Ce simple rappel montre l’abîme qui existe entre nos unités macroscopiques et le monde quantique dans lequel nous tentons de pénétrer. Notre rubrique N°5 consacrée aux dimensions du monde a montré que ce monde quantique est plus ''éloigné'' du notre que ne le sont les confins (supposés) de l'univers.

    C'est donc le noyau de l'atome, associé aux électrons de ses trois orbites fondamentales, qui constitue le ''donjon'' de la citadelle atomique protégé par sa garde rapprochée. Avec le laser atomique, il n'est pas question d'attaquer le noyau par fission ou fusion, seulement de repousser sa ''garde intérieure'' sur le niveau fondamental, au plus près du noyau, de façon à l’asphyxier ( à le refroidir) sans le détruire. Il deviendrait alors possible de ''manipuler'' à notre convenance les électrons ''extérieurs'', de les assembler en ''paire'' inoffensive, ou de les éjecter. C'est la condition nécessaire pour obtenir une ''transition de phase'' des atomes entraînant des propriétés physiques nouvelles comme la supraconduction ou la superfluidité. Dans notre rubrique N°1, aux chapitres 92 et 93, l'étude du noyau et de la résonance magnétique nucléaire nous a montré que la ''citadelle atomique'' est impénétrable lorsque le numéro atomique de l'élément est pair, lorsque les neutrons viennent renforcer la stabilité des protons et lorsque la formation du noyau en cubes le rend difficile à déstabiliser. Notre rubrique N°3 a montré que ce sont les matériaux diamagnétiques, dont les électrons sont placés sur des couches et des sous couches électroniques ''pleines'' dans leurs états de plus basse énergie, qui, en cas de tentative de déstabilisation par un champ magnétique extérieur, ''replient'' leurs forces sur l'état fondamental et, par là même, atteignent l'énergie thermique minimum correspondant à la transition d'état recherchée.

    Nous savons que les propriétés électriques et chimiques (qui assemblent les éléments) sont déterminées par la composition des couches de valence et de conduction des atomes des divers éléments. L'énergie thermique intra-atomique (comme les catalyseurs) favorisent les rencontres ( la mise en résonance des électrons). Mais lorsqu'il est question du noyau de l'atome et de son orbite fondamentale, il s'agit de sa structure profonde, de son ''existence'', de sa stabilité. Après une excitation de l'atome par une onde de type lumière, l'électron redescend  toujours  au  niveau énergétique minimum qui est le sien sur son orbite d'origine (à sa place dans la configuration électronique de l'atome). Pour arriver à faire ''descendre'' un électron sur une orbite plus basse, il faut donc agir à la fois sur son énergie et sur sa structure (sur la fréquence de son onde de structure). Suivant nos hypothèses c'est la même onde en rotation, ce qui rend possible une action conjointe (une mise en résonance des ondes magnétiques).

    La composante magnétique de l'onde électromagnétique (de l'électron), sa propre onde de structure, continue à tourner à une fréquence que l'on peut supposer en correspondance avec celle de sa composante énergétique. Nous avons vu que la relation entre l'énergie de l'électron et son magnétisme (sa structure) a fait l'objet d'anciennes études faites notamment par Bohr, Landé et Larmor. Le rapport gyromagnétique, le magnéton de Bohr, le facteur de Landé, la précession de Larmor, expriment la relation de fréquence entre ces deux composantes. Lors de notre étude de la résonance magnétique nucléaire (rubriques N°1 et 2) nous avons vu que, pour l'atome d'hydrogène, la fréquence de résonance magnétique de son proton est comprise entre 50 et 500 MHz (ondes radio THF). La fréquence rotationnelle des ondes de structure des électrons au niveau fondamental devrait donc correspondre à la fréquence des ondes radio THF. Un champ magnétique tournant, correctement polarisé, en résonance de fréquence avec un électron, doit pouvoir le faire chuter sur une orbite plus basse et donc réduire le niveau énergétique de son atome. Notons que ce paragraphe, de même que la suite de notre étude ne peuvent être acceptés que si les hypothèses de base de notre blog ont bien été pris en compte.

    On aura compris que, pour obtenir le résultat recherché (l'obtention d'un condensat d'atomes froids) , il ne suffit pas de réduire le niveau énergétique des électrons, il faut également mobiliser la ''masse'' totale de chaque atome et le maximum des mille milliards de milliards de molécules contenant les atomes, pour que l'on arrive à posséder une goutte de ''plasma'' froid, de ''condensat de Bose Einstein''. Je cite Wikipédia :

    << En 1995, une équipe du laboratoire NIST/JILA (Boulder, Colorado, États-Unis), dirigée par Eric Cornell et Carl Wieman, est parvenue à obtenir pendant quelques secondes un condensat de Bose-Einstein ; il était constitué de quelques milliers d’atomes   de   rubidium   pré-refroidis   par   laser,   puis   refroidis   plus   avant   par    « évaporation » dans un piège magnétique. La température du gaz était alors de l'ordre de 100 nK. >>

    << Plusieurs équipes de physiciens sont parvenues, dès 1997, à produire un effet laser avec des atomes, le principe étant de former d’abord un condensat puis d’extraire par un moyen adéquat une partie des atomes condensés. Mais beaucoup de chemin reste à parcourir avant d’arriver à des flux atomiques d’intensité et de durée appréciables. >>

    http://toutestquantique.fr/condensation-de-bose-einstein/ est plus optimiste :

    << Les physiciens savent refroidir à moins d’un millionième de degré du zéro absolu des gaz en immobilisant leurs atomes à l’aide de lasers et de champs magnétiques. Dans certains gaz, les atomes adoptent alors tous un même état quantique collectif, comme une sorte d’onde quantique géante, appelée condensat de Bose-Einstein. Ces condensats sont des objets quantiques modèles très utiles pour simuler des situations plus complexes encore mal comprises en physique quantique comme les supraconducteurs ou d’autres propriétés des solides. >>

    4) PRINCIPE DU REFROIDISSEMENT DE L'ATOME

    41) Le piège des bosons

    Il apparaît cependant que, depuis 20 ans, des progrès ont été réalisés dans le domaine du refroidissement de l'atome, spécialement dans la confection de ''pièges'' capables de contenir les condensats. En effet les laboratoires de recherche ont mis au point un système de piège utilisant des lasers optiques se faisant face dans les trois dimensions, qui peuvent être comparés à l'usage des miroirs formant la ''cavité'' des lasers optique. On imite ainsi la cavité dans laquelle les ondes stationnaires de type lumière sont créées, ''contenues'' et amplifiées (voir rubrique N°9). Pour ''contenir'' une matière se trouvant dans l'état si particulier du condensat, un piège optique ou (et) magnétique est en effet indispensable car cette matière ne supporte pas un contact quelconque sans un retour immédiat à son état physique primitif.

    L'électron étant pour nous une onde électromagnétique, un tel piège fonctionne de la même façon que la cavité du laser optique, sauf que l'onde est en trois dimensions au lieu d'être plane et que les ''miroirs'' ne sont pas que de simples ''réflecteurs'', puisque ce sont également des ondes. Il existe donc, pour que ce laser fonctionne comme il est désiré, un réglage complexe entre la dimension de la cavité, la fréquence du laser, celle des électrons de l'atome cible (la fréquence de la transition orbitale à effectuer), la durée de chacune des opérations, les polarités et les phases de toutes les ondes en jeu, les puissances énergétiques et magnétiques correspondantes. Le but est d'obtenir les débits nécessaires et la ''masse'' suffisante d'atomes piégés dans le condensat.

    Pour la physique standard des particules, cela pose des problèmes théoriques puisque l'électron n'est pas réellement une onde. Il y a bien modification des vibrations dans la cavité, mais quelle ''particule'' vibre, l'électron, l'atome, la molécule ? Et comment se fait l'amplification inverse (le refroidissement) ? Comment imaginer que les électrons d'un atome qui, suivant la théorie se repoussent (ayant la même charge), puissent se condenser autour du noyau de leur atome ? Pour cette physique standard, les particules qui ''acceptent'' de se condenser ont un ''spin'' particulier de 0 ou de 1, ce sont des ''bosons'' alors que les autres particules, les ''fermions'' ont un spin demi-entier, comme les électrons par exemple. C'est, semble-il un problème de comportement, grégaire ou solitaire dans les rapports entre les particules. Le mieux est de citer Wikipédia :

    << La statistique quantique impliquée dans le phénomène de condensation de Bose-Einstein concerne les particules appartenant à la famille des bosons, qui sont les particules de spin entier, en opposition à la famille des fermions qui sont de spin demi-entier...Les fermions sont des particules qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac alors que les bosons obéissent à la statistique de Bose-Einstein. Dans le cas des bosons, cette statistique implique une transition de phase à basse température, responsable notamment de la superfluidité de l'hélium ou de la supraconductivité de certains matériaux...

    Parmi les particules élémentaires découvertes à ce jour, les bosons sont tous des bosons de jauge, c’est-à-dire qu'ils agissent comme des intermédiaires des interactions fondamentales... En physique des particules, un boson de jauge est une particule élémentaire de la classe des bosons qui agit comme porteur d'une interaction élémentaire. Plus spécifiquement, les particules élémentaires dont les interactions sont décrites par une théorie de jauge exercent l'une sur l'autre des forces, par échange de bosons de jauge, généralement sous forme de particules virtuelles...

    Le modèle standard décrit trois sortes de bosons de jauge : les photons, les bosons W et Z et les gluons. Chacun correspond à l'une des trois interactions élémentaires du modèle standard :

    *les photons sont les bosons de jauge de l'interaction électromagnétique,

    *les bosons W et Z ceux de l'interaction faible,

    *et les gluons ceux de l'interaction forte. >>

    Les bosons sont donc des particules intermédiaires qui sont ''semi-virtuelles'' mais qui sont néanmoins fort utiles pour ''faire le travail'' d'interconnexion sans qu'il soit nécessaire de chercher une autre explication. Pour les ''maniaques'' de la logique, il est toujours possible de se référer à ''l'onde associée'' proposée par de Broglie qui, elle, peut vibrer et résonner, bien qu'il soit difficile d'imaginer comment peuvent s'associer des éléments aussi dissemblables qu'une onde et une particule. Il est vrai que la pierre jetée dans l'eau provoque des ondes..., mais il y a de l'eau, alors que, pour la physique standard, l'onde se propage dans le vide....

    42) Le refroidissement de l'atome

    Dans notre physique des ondes nous n'avons pas besoin de distinguer bosons et fermions puisque toutes les particules sont constituées d'électrons. Par exemple, le chapitre N°4 du blog explique que les nucléons sont des ''brochettes '' d'électrons en couple avec des brochettes de positrons, ce sont donc des bosons qui sont très solidement ''agrégées'' (interaction forte). Les électrons, pris individuellement, sont soumis au principe d'exclusion de Pauli qui interdit à deux fermions identiques de se trouver au même endroit dans le même état quantique. Mais, dans notre physique des ondes, un champ magnétique bien appliqué peut les marier ''tête-bêche''ou à la ''queue-leu-leu'' (combinaison antiparallèle ou parallèle des spins), auxquels cas ils peuvent s’accoler et deviennent aussi des bosons. Cela explique l'existence discutée des ''paires d'électrons de Cooper'' (voir chapitre 4, rubrique N°3), et le mode de circulation des électrons libres dans un conducteur électrique.

    De même nous laisserons de côté les explications suivantes : Les photons véhiculés par un faisceau lumineux laser, se propageant à l'encontre des atomes de matière, transportent des impulsions donnant lieu à une force qui, rapportée à l'unité de surface, s'appelle ''pression de radiation''. C'est une ''force de recul'' absorbée par l'atome. Lorsque celui-ci se désexcite il rend le photon dans une direction aléatoire. A la suite de nombreux cycles d'absorption-émission (le pompage), l'atome encaisse une impulsion continue, toujours dans le même sens, alors que son rendu est une force perdue. Le résultat est un freinage puissant....(ça, c'est de la ''mécanique''...quantique).

    Si j'ai correctement compris, pour la physique des particules, ce sont les atomes qui sont en mouvements (désordonnés) lorsqu'ils sont excités et le rôle des photons, projetés contre eux par les flux lumineux des lasers, consiste à les freiner et à les refroidir. A mon sens, le quantum de mouvement (le photon) est en relation dimensionnel avec l'électron, et non avec l'atome dont les dimensions sont à une toute autre échelle ( en mètre : 10 puissance -10 pour l'atome, 10 puissance -15 pour le noyau, 10 puissance – 31 estimé pour l'électron, 10 puissance – 34 pour le photon). Une telle relation ressemblerait à celle d'un jet de poussières sur une cible cent mille milliard de fois plus grosse.

    En dehors du piégeage, et pour obtenir un refroidissement de l'atome, les dits photons (les quanta) de l'onde laser agissent, non directement sur les atomes, mais sur les électrons de ces atomes. Il faut tout d'abord que ces électrons possèdent un niveau d'énergie très proches de la résonance avec l'onde lumière monochromatique du laser. Ensuite, lors de la résonance, cela se fait avec rejet (ou absorption) du ou des quanta d'énergie, mais uniquement s'il y a égalité d'énergie entre la transition à franchir par l'électron et le nombre de quanta échangé. Le sens de la transaction existe naturellement du plus haut au plus bas niveau d'énergie mais l'action peut être facilitée par une polarisation adéquate de l'onde laser. Nous verrons par la suite l'importance de l'action sur les électrons d'un gradient de champ magnétique.

    Pour le piégeage des atomes, par contre, le flux lumineux (les ondes) émis par les lasers contre- propageants a pour mission de réfléchir les atomes et donc de les maintenir au centre de la cellule piège. Pour obtenir l'entrée d'un maximum d'atomes dans le piège, il faut les préparer, également par mise en résonance, comme il est montré plus loin. Pour nous, toute matière est faite d'onde, tout rapport entre les ondes se fait par mise en résonance, aucun besoin de ''particules médiatrice'' ni de mécanique ''balistique'' ni de ''force dipolaire''. C'est alors que le même principe de fonctionnement peut s'appliquer au laser optique et au laser atomique, avec une possibilité supplémentaire pour ce dernier. En effet, l'électron étant une onde double, onde lumière et onde de structure, il existe donc deux possibilités de réglage pour la mise en résonance qui peuvent (et doivent) se compléter (et se ''marier'') pour ''refroidir'' l'atome. Nous allons essayer d'expliquer ce point de vue.

    43) Le ''refroidissement'' de l'électron

    Nous avons vu (rubrique N° 9 chapitre 31) que, pour les lasers optiques, les recherches s'orientaient sur les niveaux d'énergie supérieurs ( rayons UV et X) ainsi que sur de grandes puissances obtenues par des impulsions brèves. Pour le refroidissement des atomes, l'objectif est différent car les fréquences à utiliser pour la mise en résonance des électrons sont proches du niveau d'énergie de leurs trois premières orbites, le but étant de les amener au niveau fondamental. Il faut donc travailler sur des fréquences infrarouges pour l'énergie et radio THF pour l'onde de structure. Pour le refroidissement, le mode de fonctionnement du matériel ainsi que la manière d’expérimenter doivent donc s'adapter car ce n'est pas la puissance instantanée qui est essentielle, mais la précision et la facilité de réglage des débits et des fréquences. D'autre part, pour obtenir un débit suffisant d'atomes froids, et les conserver en l'état, il faut pouvoir opérer dans la durée, ce qui paraît encore très difficile à réaliser.

    Nous avons déjà noté la différence d'échelle existant entre le matériel macroscopique utilisé et le travail à réaliser sur les électrons. Cette écart peut s'apparenter à celui de l'étude des galaxies les plus lointaines par un télescope-spectroscope (Hubble et maintenant Muse). Et pourtant l'étude est possible, car, dans un cas comme dans l'autre, le travail se fait sur des ondes, par des mesures de fréquences. La différence réside uniquement dans la possibilité d'action sur l'objet de l'étude, l'action étant impossible sur les galaxies. Nous tentons ci-dessous, à l'aide des thèses et articles trouvés sur internet, d'établir un schéma des matériels et opérations nécessaires pour l'obtention d'un paquet d'atomes froids formant un condensat dit de Bose-Einstein.

    5) LE DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT

    51) Introduction

    Parmi toutes les publications trouvées sur internet, j'ai choisi les meilleures publications suivantes :

    Pour la théorie : LE REFROIDISSEMENT DES ATOMES PAR LASER.Texte de ALAIN ASPECT ET JEAN DALIBARD .LA RECHERCHE 261 JANVIER 1994 VOLUME 25 Pages 30 à 37.     http://www.phys.ens.fr/~dalibard/publi2/larecherche_94.pdf

    Pour la réalisation expérimentale : Piégeage et refroidissement laser du strontium. Etude de l’effet des interférences en diffusion multiple. Thèse de Yannick Bidel. [physics.atom-ph]. Université Nice Sophia Antipolis,       http://www.kaiserlux.eu/coldatoms/Theses/bidel.pdf

    En effet ces scientifiques, tout en partant des explications théoriques habituelles desquelles un physicien ''sérieux'' ne peut s'abstraire (pression de radiation, freinage de la vitesse et recul de l'atome par ''bombardement'' de photons, etc.), sont amenés à mettre constamment en évidence le caractère ondulatoire de la matière et le phénomène de mise en résonance. Mais la propriété vibratoire est attribué à l'atome et non à l'électron qui, pour la physique en cours, n'est pas considéré comme LA véritable ONDE électromagnétique, base de toute matière. Suivant notre thèse, il faut, en premier, agir (par résonance) sur la composante énergétique des électrons que l'on veut abaisser au niveau fondamental, avant ( ou conjointement) de mobiliser (par résonance) les ondes de structures de l'ensemble ''électrons-nucléons'' afin d'en faire une seule onde structurant l'atome, puis la totalité des atomes que l'on a pu piéger et réaliser ainsi un condensat d'atomes froids. Ce paquet d'atomes possède ainsi une propriété très spéciale de ''cohérence'' aussi bien sur sa structure physique, électronique et magnétique, que sur le plan de l'équilibre énergétique (thermique, électrique et chimique).

    Je cite deux passages du texte de Jean Dalibard qui, pour la physique expérimentale, ouvre des voies nouvelles :

    << La perspective d'utiliser des atomes froids pour ce genre d'expériences passionne les chercheurs car ils pourront aborder de nouveaux domaines encore inexplorés, grâce au caractère ondulatoire renforcé de ces objets. >>

    << En pratique, les difficultés sont considérables, car il faut de mieux en mieux éliminer les inévitables imperfections expérimentales. Mais les perspectives ouvertes sont fascinantes puisque le caractère quantique des atomes joue un rôle de plus en plus important quand la température diminue. On ne peut alors plus considérer ces atomes comme des points matériels classiques ; il faut prendre en compte leur nature ondulatoire, caractérisée par une longueur d'onde de De Broglie de plus en plus grande. Déjà, pour des atomes refroidis à la limite du recul, elle atteint le micromètre, ce qui est dix mille fois plus grand que la taille d'un atome. >>

    La lecture de ces articles montre la complexité du matériel et de l’expérimentation permettant d'obtenir un condensat. Nous reprenons ci-dessous l'essentiel des opérations à réaliser et le matériel utilisé en mettant en évidence les corrélations existant entre la réalité expérimentale et les hypothèses qui sont à la base de notre thèse.

    52) Les éléments chimiques susceptibles d'être refroidis

    Pour transformer un élément chimique en ''cluster'' d'atome froid dans la durée, il faut choisir un élément ayant les caractéristiques suivantes : 1) une structure physique de gaz ou de vapeur, ou sa transformation possible en gaz. 2) des électrons nombreux sur les couches de basse énergie (couches pleines), susceptibles de se regrouper sur l'orbite fondamentale au plus près du noyau dans l'état d'énergie minimum. 3) des électrons situés sur les couches périphériques pouvant s'échapper facilement de l'atome afin de ne pas empêcher le refroidissement complet de celui-ci. La famille des gaz nobles (gaz dits rares) correspond aux deux premiers critères, la famille des alcalins aux trois critères. Pour mettre en évidence les propriétés de ces éléments je cite Wikipédia :

    521) Gaz nobles

    << La difficulté à mettre en évidence une chimie des gaz nobles provient de leur configuration électronique : les sous-couches s et p de leur couche électronique externe sont en effet complètes, avec respectivement deux et six électrons, de sorte qu'il ne leur reste pas d'électron de valence disponible pour établir une liaison chimique avec un autre atome, en vertu de la règle de l'octet.

    Élément chimique Configuration électronique

    no 2 He Hélium 1s2

    no 10 Ne Néon 1s2 2s2 2p6

    no 18 Ar Argon 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

    no 36 Kr Krypton 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6

    no 54 Xe Xénon 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6

    no 86 Rn Radon 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 >>

    522) Métaux alcalins

    << Leur configuration électronique est caractérisée par la présence d'un électron unique ns1, facilement perdu pour retrouver la configuration du gaz noble de la période précédente : les métaux alcalins forment donc très facilement des cations (ions positifs). Ils ont toujours le potentiel d'ionisation le plus bas de leur période ; le second potentiel d'ionisation est en revanche très élevé, en raison de la configuration électronique de gaz rare des cations alcalins....

    Le potentiel d'ionisation ou énergie d'ionisation d'un atome ou d'une molécule est l'énergie qu'il faut fournir à un atome neutre pour arracher un électron (le moins lié) à l'état gazeux et former un ion positif. Plus généralement, la nième énergie d'ionisation est l'énergie requise pour arracher le nième électron après que les n-1 premiers électrons ont été arrachés.

    Élément chimique Configuration électronique

    no 3 Li Lithium 1s2 2s1

    no 11 Na Sodium 1s2 2s2 2p6 3s1

    no 19 K Potassium 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

    no 37 Rb Rubidium 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1

    no 55 Cs Césium 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1

    no 87 Fr Francium 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s1 >>

    523) Interprétation

    Les premiers éléments qui ont été utilisés pour les expérimentations ont été les plus simples l'hélium et le néon. L'hélium 4 est un élément particulièrement intéressant pour l’expérimentation dans le domaine du refroidissement de l'atome, de la supraconductivité et de la superfluidité à cause de ses propriétés physiques très particulières ( liquéfaction, solidification). Lorsqu'on abaisse sa température en dessous de la température critique de 2,17 kelvins (soit -270,98 °C) qui est appelé son point lambda (λ), l'hélium 4 subit une transition de phase et atteint l'état dit de superfluidité. Dans notre rubrique N°1 en fin du chapitre (93), où il est question de la stabilité des noyaux atomiques, il est expliqué pourquoi ceux (comme l'hélium) qui ont un nombre pair de protons et dont les neutrons viennent renforcer la stabilité, acquièrent une stabilité maximum grâce à la formation en cubes des nucléons. Le ''donjon'' de la citadelle est solide. Par contre le noyau de l'hélium n'a pas de vrai rempart, il est donc surtout utile comme ''refroidisseur'' et dans le transfert d'action au néon et aux autres gaz nobles (laser hélium-néon).

    Dans notre rubrique N°3, au chapitre (21), où il est question des matériaux diamagnétiques, il est expliqué que leurs électrons sont placés sur des couches et sous-couches électroniques ''pleines'' dans leurs états de plus basse énergie. C'est pourquoi, même si les protons sont en nombre impair, il existe plusieurs remparts à la citadelle atomique dont le noyau est ainsi fermé et protégé. C'est particulièrement le cas des gaz nobles et des alcalins comme nous le voyons dans les configurations ci-dessus.

    53) Principe de l'appareillage

    Pour obtenir un condensat d'atomes froids suffisamment important pour une utilisation macroscopique, il faut introduire dans notre appareil un maximum d'atomes, ce qui est déjà une opération délicate, également en volume et en densité. Ensuite, il faut, dans notre piège, ''réduire'' les''citadelles'' atomiques sans les détruire ( piéger à l’intérieur les défenseurs). Il faut établir un plan qui s'apparente à un siège. Piéger, ceinturer, refouler bastion après bastion, rempart après rempart, repousser les défenseurs (les électrons) à l’intérieur du dernier rempart, dégager et nettoyer tous ce qui gène à l’extérieur des remparts, évacuer à l’extérieur de l'atome les électrons non piégés. Enfin, après avoir laissé s'échapper les citadelles (les atomes) qui n'ont pas pu être ''réduites'', procéder à l'extraction rapide du condensat (par paquet d'atomes froids ou atome par atome). Ces images expriment assez bien la réalité des actions à effectuer, et donc des appareils à concevoir.

    J'ai étudié les publications et thèses sur le sujet, que les physiciens de divers laboratoires et universités ont fait paraître sur internet. Tous les termes et raisonnements théoriques qu'ils utilisent sont conformes aux standards de la physique des particules : pression de radiation, mouvement dans l'espace, vitesse moyenne d'agitation, force de recul, absorption de photon, chocs et frottements des particules, force de friction, pompage optique, charge et énergie dipolaire. Cependant les expérimentateurs sont obligés, dans la réalité des faits, de parler le langage des ondes : fréquence de vibration, ''ondes de matière'' associées aux atomes, résonance atomique, oscillation des électrons, onde stationnaire, interférences, effet Doppler. Le comble, c'est qu'en finale les atomes froids ''fabriqués'' se comportent comme des ondes lumineuses. En effet, en ''versant'' le condensat des atomes froids sur des fentes, comme dans l’expérience de Young, on obtient des ''franges d'interférence de matière'', comme s'il s'agissait d'ondes. Je suis curieux de connaître la fréquence de ces ondes de matière ( de ces atomes froids), car je pense qu'il s'agit de la fréquence de rotation des ondes de structure de leur noyau (radio THF) et non de fréquences d'ondes proprement énergétiques (de fréquence lumière visible).

    54) Les appareils de refroidissement

    La description rapide des diverses parties de l'appareillage qui va suivre est inspirée par les thèses que j'ai pu trouver sur internet, mais l'interprétation des opération effectuées n'est pas toujours celle qui est fournie par les expérimentateurs. J'ai choisi des explications conforme à notre physique des ondes qui sont basées sur le phénomène de mise en résonance que nous avons largement décrit et utilisé dans les précédentes rubriques.

    Le choix du gaz à refroidir est important. Mis à part les gaz nobles, nous constatons l’intérêt des laboratoires dans le choix des métaux alcalins du milieu de la liste, qui ont un nombre d'électrons moyen, comme le Krypton (36), le Rubidium (37) ou le strontium (38). Ils possèdent des ''sous couches pleines'' dans les 4 premières couches ( sous la forme ion + pour le Rb et le Sr). Cette configuration atomique est favorable, comme nous l'avons vu, à l'obtention d'un bon niveau fondamental électronique, magnétiquement structuré autour du noyau de l'atome.

    541) Schéma général de l'appareillage

    Devant la complexité de l'installation nécessaire à l'obtention d'un condensat d'atomes froids et étant donné que chaque laboratoire en réalise la conception en fonction de ses objectifs, de ses choix de base et de ses moyens, je me trouve dans l'obligation de choisir un schéma particulier afin de ne pas nous égarer dans des généralités trop vagues et donc fausses. La thèse de Yannick Bidel citée plus haut est exposée et rédigée avec une précision remarquable, dans les détails matériels aussi bien que dans les raisonnements. Dans cette thèse, des schémas, photos et descriptions précises accompagnent des explications si ''lumineuses'' que je conseille vivement leur lecture intégrale. Il est donc délicat pour moi d'avoir à en choisir seulement certains extraits. Afin d'éviter de trop les dénaturer, je préfère citer son propre texte << entre guillemets >> et suivre une partie de sa présentation. Ce n'est pas l'appareillage en lui même, avec toute sa complexité expérimentale qui est notre sujet, mais les relations qui existent entre les lasers et le champ magnétique d'une part, les électrons et les atomes que l'on cherche à refroidir d'autre part. Le raccordement avec nos hypothèses est fait à la suite de ces textes sous forme de commentaires. Les bases de notre physique des ondes étant différentes de celles de la physique des particules, notre interprétation des faits est divergente, mais en final, seul doit compter la réalité de l'expérimentation, et c'est Yannick Bidel qui en est le maître....

    542) Choix de l'atome et de la transition large

    << Nous nous intéresserons dans cette partie aux transitions atomiques de l’isotope 88 du strontium. C’est l’isotope du strontium qui sera utilisé dans cette thèse. Il est l’isotope naturel le plus abondant et possède un spin nucléaire nul. Le strontium non ionisé possède 38 électrons. La configuration électronique du niveau fondamental est : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4d10 4s2 4p6 5s2 >>

    << La construction d’une expérience d’atomes froids de strontium a été entreprise à cause des potentialités intéressantes de piégeage et de refroidissement du strontium. Il possède tout d'abord une transition intense à 461 nm qui permet d’obtenir des forces de pression de radiation élevées, pour pouvoir piéger et refroidir efficacement des atomes initialement chauds. >>....

    << Le strontium possède aussi une transition étroite à 689 nm. Les forces de pression de radiation sur cette transition sont juste suffisantes pour vaincre la gravité et piéger les atomes. Cependant la finesse de cette transition donne des propriétés très intéressantes pour le piégeage et le refroidissement d’atome. >>....

    << Afin de réaliser un piège magnéto-optique de strontium, nous avons besoin d’un laser résonnant avec la transition fortement cyclante 1S0-1P1 à 461 nm. Ce laser bleu à 461 nm devra fournir une puissance de l’ordre de 100 mW afin de pouvoir piéger un maximum d’atomes. Le laser devra de plus avoir une largeur spectrale inférieure à 32 MHz pour résoudre la transition 1S0-1P1 de largeur naturelle 32 MHz. >>...

    << Le laser à 461 nm est obtenu en doublant la fréquence d’un laser infrarouge à 922 nm. Pour réaliser le laser à 922 nm, nous avons utilisé un amplificateur optique à semi-conducteur (”tapered amplifier”) injecté par une diode laser en cavité étendue. Avec un tel système, il est possible d’obtenir un rayonnement monomode à 922 nm avec une puissance de 500 mW >>...

    << Un cristal de niobate de potassium KNbO3 a été choisi pour doubler la fréquence de notre laser infrarouge à 922 nm... Afin d’augmenter l’intensité d’infrarouge au niveau du cristal et donc d’augmenter le taux de conversion, le cristal de doublage est placé dans une cavité résonnante pour l’infrarouge...Pour obtenir un doublage de fréquence efficace, trois critères interviennent dans le choix du cristal : l’absorption du cristal à la fréquence laser ω et à son harmonique 2ω doit être la plus faible possible, il doit posséder une susceptibilité non linéaire la plus grande possible, enfin il doit permettre de réaliser l’accord de phase...>>

    Pour reprendre notre image de la citadelle à assiéger, la transition ''large'' entre le rempart attaqué ( fréquence choisie pour le laser) et le niveau fondamental, permet de ramener à ce dernier niveau le maximum d'électrons appartenant aux remparts intermédiaires. Il faut, en plus, éviter que les électrons soient ''accrochés'' au passage par des niveaux dits ''métastables''. On peut comparer ceux-ci à des remparts équipés d'abris-refuges, dans lesquels des moyens de survie permettent de tenir le siège plus longtemps, auquel cas les ''atomes-citadelles'' correspondant sont perdus pour le refroidissement qui doit être extrêmement rapide.

    Notons que lorsque il est question de raies spectrales, de lumière visible et de niveau d'énergie des atomes, il est plus facile de s'exprimer en longueur d'onde (dans le vide), en nanomètre, plutôt qu'en hertz, afin d'éviter de traîner des puissances de 10. Par contre pour les largeurs de raies, les réglages et pour les dispositifs d'asservissement, les fréquences, bien plus faibles, sont exprimées en Kilohertz ou en Mégahertz.

    543) Dispositif d'asservissement de la fréquence de la transition choisie

    La fréquence ainsi choisie pour la transition électronique en fonction de la configuration électronique du strontium, sert de référence à l'ensemble du dispositif. Le réglage des différentes fréquences de chacun des appareils, les lasers du piège magnéto-optique en particulier, doit pouvoir se faire par un asservissement (acousto-optique) sur cette fréquence de base.

    << La référence de fréquence utilisée est une vapeur atomique de strontium. La réalisation d’une cellule contenant une vapeur de strontium ou d’un autre alcalino-terreux est cependant assez difficile. En effet, la pression de vapeur saturante des alcalino-terreux est de deux ordres de grandeurs plus faible que celle des alcalins. Pour obtenir une densité atomique suffisante, il faut donc chauffer le strontium à des températures supérieures à 200°C. De plus, les alcalino-terreux sont assez réactifs avec le verre. Aux températures nécessaires pour obtenir une densité atomique suffisante, la vapeur d’alcalino-terreux réagit chimiquement avec le verre et le rend opaque. Contrairement aux alcalins, une cellule de verre n’est donc pas utilisable pour contenir la vapeur de strontium. On a donc choisi d’utiliser un ”heat-pipe” pour contenir la vapeur de strontium. Le principe de ce dispositif consiste à utiliser un gaz tampon (argon) pour éviter à la vapeur de strontium d’être en contact avec les fenêtres en verre. >> …

    Ces quelques lignes de la thèse de Yannick Bidel donnent une idée des nombreuses difficultés rencontrées par les chercheurs pour l'obtention d'un condensat d'atomes froids tant dans la conception de l'expérimentation que dans sa réalisation matérielle, dans son suivi et dans son interprétation. Nous laisserons donc de côté la description de l'ensemble complexe des appareils annexes et pourtant indispensables, comprenant : heat-pipe, jauges de pression d'argon et de vapeur de strontium, pompe turbo, modulateurs acousto-optique, dispositifs de sondes et de régulation de tous les appareils, asservissement en fréquence du laser. Nous allons maintenant décrire le cœur de l'appareil constitué par le piège magnéto-optique ainsi que son alimentation ( production de la vapeur et son refroidissement).

    544) Introduction du gaz

    Les métaux alcalins sont transformés en vapeur dans un four, entre 300 et 500 degrés C, d’où ils sortent sous la forme d'un faisceau d'atomes. Ceux-ci ont donc besoin d'être refroidis avant leur introduction dans le piège magnéto-optique qui suit. Il est également nécessaire d'y conduire le maximum d'atomes et d'obtenir un débit continu et ''collimaté''.

    << Le four possède un orifice de sortie par lequel s’échappe la vapeur de strontium pour former un jet. Nous travaillerons avec un jet effusif qui est obtenu lorsque le libre parcours moyen des atomes est grand devant le diamètre de l’orifice de sortie du four. Dans ce cas le mouvement d’un atome quittant le four n’est pas modifié lors de sa sortie du four. La distribution de vitesse du jet effusif correspond donc à la distribution de vitesse thermique à l’intérieur du four. La distribution angulaire du jet effusif est déterminée par la géométrie de l’orifice de sortie. Le flux de strontium du jet est limité par les capacités de stockage en strontium du four. >>...

    << Comme le four doit être chauffé à une température de l’ordre de 500 ° C, la construction d’un four trop volumineux pose des problèmes (isolation thermique). Nous nous sommes donc limités à un four avec une contenance de quelques cm3 qui correspond à une capacité de stockage d’environ 1 g de strontium. Si nous voulons que le strontium présent dans le four dure pendant 1 an de fonctionnement (∼ 3 ans de durée réelle), le flux de strontium du jet devra être inférieur à 2x 10 puissance 14 atomes/s. >>...

    << Afin d’obtenir un bon vide différentiel entre la cellule où est réalisée le piège magnéto-optique et l’enceinte du four, un trou de diamètre 1 mm est placé entre ces deux parties. L’alignement du four doit être soigné afin que la partie du jet de strontium passant par le trou de 1 mm atteigne la zone de capture du piège magnéto-optique. Pour cela l’alignement du four est réalisé à l’aide d’un faisceau laser que l’on fait passer par le centre du piège magnéto-optique, par le trou de 1 mm et par le tube de sortie du four. >>...

    Le laser bleu et sa fréquence asservie est donc le centre du dispositif de Yannick Bidel, qui va du four jusqu'au piège, en passant par le pré-refroidisseur dont nous allons parler. Le but est d'amener le maximum d'atomes dans le piège, au niveau de fréquence du laser bleu. Il s'agit en fait et tout d'abord, de désexciter les électrons des atomes qui ont été chauffés dans le four et donc de commencer leur refroidissement avant leur introduction dans le piège.

    545) Refroidissement du gaz chaud

    La meilleure solution semble bien l'utilisation du refroidisseur dit ''ralentisseur à effet Zeeman'' qui utilise l'effet d'un champ magnétique sur des molécules, des atomes, ou, en ce qui nous concerne, sur un faisceau d'atomes à refroidir. Cet effet, découvert par Pieter Zeeman en 1902, apparaît lorsqu'une source de lumière ( transition électronique dans un atome) est soumise à un champ magnétique statique. Les raies spectrales émises par cette source sont décomposées en plusieurs raies très rapprochées de part et d'autre de la raie principale habituelle. Leur nombre, leur position, leur polarisation (+ ou -) leur intensité, dépendent essentiellement de l'intensité et de l'orientation du champ magnétique auquel la source est exposée. Par ailleurs, la lumière des raies spectrales émises par la source, lors des transitions entre niveaux électroniques, est polarisée différemment suivant l'orientation du champ magnétique par rapport à l'observateur. Les ondes lumineuses ou infrarouges (chaleur) émises par les électrons ont alors une longueur d'onde (très) légèrement différente, plus basse ou plus élevée qu'en l'absence de champ magnétique. De là l'apparition des raies supplémentaires observées de part et d'autre de la raie principale.

    Cet effet Zeeman a été faussement utilisée par les contemporains de Zeeman pour ''prouver'' la nature électromagnétique de la lumière, c'est à dire l'existence, pour la lumière, d'ondes transversales magnétiques qui, pour nous, sont la seule propriété de l'électron, onde double, énergie et structure (onde électromagnétique). L'explication de cet effet Zeeman est d'ailleurs toujours un problème pour la physique des particules qui a du mal à doter l'électron d'un spin réellement tournant. Elle rapproche donc le phénomène Zeeman de l'action d'une force dipolaire sur l'atome et utilise la théorie ''mécaniste'' dont nous avons parlé (ralentissement de la ''vitesse'' des atomes par la ''pression de radiation'' des photons, force de rappel, force de friction, utilisation du ''mécanisme'' établi à la base de la physique quantique). Mais les théories mécaniques macroscopiques s'appliquent difficilement à l'échelle quantique, et, d'une façon générale, les éléments naturels se plient mal à des lois établies qui correspondent à des échelles différentes. Ce qui peut être valable dans les cas les plus simples oblige très vite à des approximations simplificatrices qui rendent la théorie utilisée inadaptée.

    546) Réalisation d'un refroidisseur Zeeman

    La présentation théorique du ralentisseur Zeeman par Yannick Bidel est faite conformément aux principes de la physique standard des particules, (il ne peut en être autrement pour une thèse). J'encourage mes lecteurs à se porter sur cette thèse car Yannick Bidel y expose, avec beaucoup de détails, ses raisonnements, ses calculs et ses résultats tant théoriques qu'expérimentaux. Voici à nouveau son adresse :

    http://www.kaiserlux.eu/coldatoms/Theses/bidel.pdf

    Je ne puis ici que détacher quelques extraits qui, à mon sens, éclairent au mieux la réalisation et le mode de fonctionnement d'un refroidisseur d'atomes. J'insiste sur le chapitre du refroidisseur Zeeman car l'application de son principe est transposable au refroidissement dans le piège magnéto-optique qui suit. Vous trouverez, après les extraits, mes commentaires en conformité avec nos hypothèses de base.

    << Le jet atomique est ralenti grâce à la force de pression de radiation d’un faisceau laser contre-propageant. Un champ magnétique tournant, non uniforme, parallèle au jet, permet au laser d’être successivement en résonance avec les différentes classes de vitesse du jet. Au début de la zone de ralentissement, le laser est en résonance avec les atomes qui ont la vitesse la plus élevée que l’on souhaite ralentir (v max). Puis, le long de la zone de ralentissement, la vitesse qui est en résonance avec le laser diminue jusqu’à atteindre la vitesse finale (v f) souhaitée à la fin du ralentissement. >>

    << Pour qu’un atome qui a initialement une vitesse (v) soit ralenti jusqu’à la vitesse finale (v f), il faut que le champ magnétique varie suffisamment lentement pour que la diminution de la vitesse en résonance avec le laser soit plus lente que la diminution de la vitesse réelle des atomes dans le ralentisseur. Pour cela, le temps que le laser reste en résonance avec une classe de vitesse doit être suffisamment long pour que les atomes de cette classe de vitesse aient le temps d’être ralentis jusqu’à la prochaine classe de vitesse qui sera en résonance avec le laser. >>

    << Pour minimiser la distance de ralentissement, les atomes doivent toujours être en résonance avec le laser afin d’obtenir une force de pression de radiation maximum. Nous devons donc choisir un profil de champ magnétique pour lequel l’effet Zeeman compense parfaitement le changement de la fréquence apparente du laser au cours de la décélération de l’atome. Pour calculer ce profil de champ magnétique optimum, on suppose tout d’abord que l’atome est toujours en résonance avec le laser lors de sa décélération. On calcule alors pour cette décélération maximum l’évolution de la vitesse de l’atome en fonction de sa position. A partir de cette information, on calcule le profil du champ magnétique qui permet aux atomes d’être toujours en résonance avec le laser au cours de leur décélération. >>...<< Le faisceau laser ralentisseur doit être polarisé circulairement afin que la fréquence de résonance de l’atome soit sensible au champ magnétique parallèle au faisceau. >>...

    << ... Dans cette partie, nous essayerons de déterminer les différents paramètres du ralentisseur Zeeman (faisceau laser, désaccord laser, longueur du Zeeman, profil du champ magnétique) qui permettent d’obtenir le flux d’atomes capturés par le piège le plus important possible. >>...

    << ... Nous avons mesuré la fluorescence des atomes piégés qui est proportionnelle au nombre d’atomes piégés en fonction du profil de champ magnétique du Zeeman. >>...

    << ...Le choix de l’intensité du laser qui détermine le profil de champ magnétique sera réalisé expérimentalement... Le désaccord laser du faisceau ralentisseur détermine le niveau moyen du champ magnétique dans le Zeeman... Le sens du champ magnétique du Zeeman par rapport au champ magnétique du piège magnéto-optique joue un rôle important dans la capture des atomes ralentis par le piège...Pour trouver la longueur du Zeeman optimum, nous avons utilisé la relation 2.24 pour calculer le flux d’atomes capturés par le piège en fonction de la longueur du Zeeman.....

    Nous choisirons pour notre expérience une longueur de Zeeman égale à 22 cm. Cette longueur donne un flux d’atomes capturés par le piège pratiquement à son maximum pour une intensité laser comprise entre 0.2 (I sat) et l’infini. >>

    << Le champ magnétique dans le ralentisseur Zeeman est obtenu à l’aide de dix bobines parcourues par des courants électriques différents. Avec ce système, nous pouvons régler le profil du champ magnétique dans le Zeeman en modifiant les intensités électriques passant dans les différentes bobines. Les bobines ont été conçues pour obtenir un champ magnétique supérieur à 400 Gauss à l’intérieur du Zeeman pour un courant maximum de 3 A. Les bobines sont réalisées avec du fil de cuivre de diamètre 1 mm et comportent 20 x 20 spires. Les différentes spires sont collées entre elles avec une colle époxy. Les dix bobines sont enfilées sur un tube en acier inoxydable dans lequel doit passer le jet atomique. >>

    << Le champ magnétique créé par chaque bobine a été mesuré expérimentalement à l’aide d’une sonde à effet Hall placée à l’intérieur du tube... Connaissant le champ magnétique créé par chacune des bobines, on peut déterminer à l’aide d’un programme informatique les intensités dans chaque bobine qui permettent d’obtenir le profil de champ magnétique désiré. Par exemple, le profil de champ magnétique qui permet de ralentir les atomes de (v max) = 350 m/s à (v f) = 100 m/s, à partir d’une intensité laser au moins égale à 0.4 (I sat), est obtenu en utilisant les intensités électriques suivantes : 2.64, 1.89, 1.84, 1.65, 1.52, 1.28, 1.12, 0.91, 0.68, 0.18, A. Sur la figure 2.23, nous pouvons comparer le champ magnétique produit par les dix bobines et le champ magnétique demandé. On remarque que le champ magnétique créé par les dix bobines reproduit assez bien le profil de champ magnétique théorique. L’écart entre le champ magnétique expérimental et le champ magnétique théorique est inférieur au Gauss. >>

    547) Commentaires sur cette réalisation

    Je publie ces courts extraits de la thèse de Yannick Bidel sans lui avoir demandé l'autorisation, ne sachant pas comment le rejoindre. Si mon blog arrive par hasard à sa connaissance, j'espère qu'il ne m'en voudra pas d'avoir utilisé et tronqué son texte. C'est grâce à la précision de sa rédaction et aux détails chiffrés de son texte, que j'espère avoir compris le fonctionnement d'un appareillage de refroidissement des atomes, et spécialement d'un Zeeman. Si la longueur de cet appareil et le dispositif de production du champ magnétique sont des choix de départ, plusieurs possibilités de mesures et de réglages doivent permettre de confronter les études théoriques et la réalité expérimentale. La finalité de cet appareil étant d'amener dans le piège magnéto-optique qui suit, le maximum d'atomes dans un même état énergétique, afin d'achever leur refroidissement. L'importance de leur nombre est mesurée par l'intensité de leur fluorescence qui est due à la différence d'énergie rendue par leurs électrons lors du refroidissement dans le Zeeman.

    Ainsi, arrivent dans le piège des atomes ayant même configuration électronique et même niveau énergétique. Grâce au ''profilage'' magnétique du Zeeman, leurs ondes de structure sont également en résonance. D'ailleurs, si l'on suit le texte de Yannick Bidel, la ''mise en résonance'' est partout, et tout le long du refroidisseur Zeeman. Plus exactement, il parle de ''classe de vitesse'' du jet d'atomes en résonance avec le laser. Dans notre optique il faut plutôt parler de ''niveau énergétique'' des atomes du jet, et dire que le rôle du champ magnétique du Zeeman est d'accorder un maximum d'atomes de ce jet au niveau 461 nm. du faisceau laser. Nous savons que cela se réalise par mise en résonance des ondes de structure des électrons avec le champ (réglable) du Zeeman (voir au chapitre N°3 de notre blog le rôle du rapport gyromagnétique). Toujours, la ''mise en résonance'' est à la base des rapports entre les ondes, et entre les éléments, puisque la matière est faite d'ondes.

    Si l'on place l'électron onde double à la base de toute matière, il est alors possible d'effectuer un rapprochement entre les méthodes, les équations et les lois des différentes branches de la physique. L'étude d'un refroidisseur d'atomes, de même que tout système résonnant, peut très bien être entrepris en utilisant des notions de mécanique... ou d'électricité... La preuve est donnée par Yannick Bidel qui a bien noté que l’écart qu'il a trouvé entre le champ magnétique expérimental et le champ magnétique théorique de son étude est inférieur à un Gauss. C'est toujours l'expérimentateur le plus perspicace qui détient la ''vérité'' la plus probable. Je cite la conclusion de son étude du Zeeman :

    << Dans la deuxième série de test, nous avons mesuré la fluorescence des atomes piégés pour différentes intensités lasers utilisées pour le calcul du profil du champ magnétique. La vitesse finale utilisée pour le calcul du profil du champ magnétique a été choisie égale à 133 (ms−1). La vitesse maximale de ralentissement (v max) dépend alors de l’intensité laser utilisée. Sur la figure 2.25, nous pouvons voir que le nombre d’atomes piégés est maximum lorsque l’intensité utilisée pour la détermination du profil de champ magnétique est égale à 0.4 (I sat). Nous pouvons donc conclure que lorsque la puissance du faisceau ralentisseur est égale à 20 mW, le profil de champ magnétique optimisant le flux d’atomes capturés doit donc être calculé pour une intensité laser de 0.4 (I sat).Ces tests nous ont donc permis de déterminer expérimentalement les paramètres que l’on doit utiliser pour déterminer le profil de champ magnétique du Zeeman qui optimise le flux d’atomes capturés par le piège. >> N.B.( I sat)= Intensité du laser lorsque il atteint son stade de saturation.

    548) Description du piège magnéto-optique

    Avant de décrire cet appareil qui se trouve être le cœur de tout le dispositif de refroidissement des atomes, je dois indiquer que Yannick Bidel complète l'installation de ses appareils par des ''mélasses transverses'' chargées de diminuer la divergence du jet d'atomes et donc d'augmenter la captation des atomes dans le piège. Également des pompes à vide sont nécessaires afin d'éviter la collision des atomes dans les différentes enceintes, ce qui viendrait à perturber le piégeage et le refroidissement. Pour les besoins du piégeage, il doit aussi disposer de lasers de différentes fréquences avec des possibilités de réglage très ''fins'' (fréquences de transition de -16 MHz, -32 MHz, -240 MHz.). Ces réglages sont obtenus à partir d’un laser unique en utilisant des modulateurs acousto-optiques. Tout cela est décrit avec précision par Yannick Bidel.

    Il en est de même de l'ensemble du dispositif constituant le piège, et je recommande à mes lecteurs de consulter le chapitre 2.2.3. page 82 de cette thèse qui décrit, avec des schémas, la cellule destinée à piéger les atomes et l'ensemble de son appareillage. Page 118 et 119. , des croquis et une photo de l'ensemble permet de saisir la complexité de cette installation. Les difficultés rencontrées dans l’expérimentation sont exposés dans les détails. Je rappelle la référence du site :

    http://www.kaiserlux.eu/coldatoms/Theses/bidel.pdf

    La cellule est le cœur du piège, celle qui a été utilisée pour la thèse est en acier inoxydable, elle comporte 6 hublots en verre pour laisser passer les 6 faisceaux laser contre-propageants et polarisés, 2 autres hublots sont utilisés pour des faisceaux sonde et pour la mesure de la fluorescence. Un hublot spécial en saphir est situé en face de l'entrée du jet de strontium pour qu'un faisceau extérieur passant par ce hublot ralentisse le jet d'atomes. Les dimensions de la cellule sont : 24 cm.de long, 15 cm. de large, 6.5 cm. d'épaisseur. On peut constater la grande difficulté de l'installation d'un matériel conséquent autour de cette cellule, d'autant plus qu'il faut placer, de part et d'autre de son épaisseur et au plus près des atomes, deux bobines (de 13 x 3 cm.) fournissant un champ magnétique tournant, réglable et asservi. Ces bobines doivent être refroidies. Le vide à réaliser dans la cellule oblige, pour sceller les hublots, à utiliser une colle traitée spécialement. Tous les instruments utilisés doivent être réglables et asservis en fréquence, intensité, puissance, etc. Ceci entraîne à réaliser un important réseau de relevé, de contrôle et d'asservissement.

    549) Fonctionnement du piège magnéto-optique

    Dans ce paragraphe, j'avais prévu d'exposer, dans l'optique de nos hypothèses, le fonctionnement du piège optique d'une part et du refroidissement magnétique des atomes d'autre part. En relisant mon texte depuis le début de cette rubrique, je me rends compte que je n'ai parlé que de cela. Pour éviter les redites, je ne développerai pas plus avant mes commentaires. J'ai exposé le point de vue de Yannick Bidel tout au long du chapitre N° 54 en citant entre guillemets quelques bribes de sa thèse qui est celle d'un scientifique et d’un expérimentateur. Il a abouti à la création d'un condensat d'atomes froids qu'il a utilisé pour la deuxième partie de sa thèse qui porte sur l'étude de la ''diffusion quantique'' et de la ''rétrodiffusion cohérente''.

    55) Le condensat d'atomes froids obtenu

    Le résultat du refroidissement d'atomes de strontium effectué par Yannick Bidel est le suivant

       << Le gaz d’atomes froids de strontium piégés est facilement visible à l’œil. Il a l’aspect d’une boule bleue localisée au centre de la cellule (voir figure 2.28). Les atomes piégés sont visibles car ils diffusent continûment la lumière des faisceaux piégés. Lorsque on balaye la fréquence du laser bleu, on observe trois pics de fluorescence provenant du centre de la cellule (voir figure 2.29). Ces trois pics de fluorescence correspondent aux piégeages des isotopes 86, 87 et 88 du strontium.Les trois isotopes ne sont pas piégés pour les mêmes fréquences du laser car les fréquences des transitions atomiques sont légèrement décalées entre les isotopes (voir annexe A p.362). Dans la suite nous étudierons et piégerons uniquement le strontium 88 qui est l’isotope le plus abondant. >> ...<< ...en utilisant cette relation, nous trouvons expérimentalement que le nombre d’atomes dans notre piège magnéto-optique varie entre (10 puissance 6) et (10 puissance 7) atomes suivant les conditions expérimentales (température du four, utilisation d’une mélasse transverse, utilisation de lasers repompeurs …).>> La température du condensat a été estimée à 8 millikelvin.

    La deuxième partie, et la finalité de la thèse, est l'étude de la ''diffusion multiple de la lumière'' et de la ''rétrodiffusion cohérente'' sur des atomes froids de strontium. On peut supposer que les caractéristiques du condensat obtenu par Yannick Bidel conviennent pour les besoins de son l'étude, mais certaines techniques permettent d'obtenir des condensats plus importants contenant jusqu'à (10 puissance 10) atomes. Avec d'autres techniques on peut obtenir des températures bien plus basses. Par exemple la technique par ''évaporation'' permet de refroidir un gaz d'atomes, initialement piégés par laser, à une température de l'ordre du millikelvin, jusqu'à une température de l'ordre du µK (microkelvin), voire du nanokelvin.

    56) Refroidissement par évaporation

    Cela se fait à partir d'un flux d'atomes déjà refroidis au niveau du millikelvin par un piège magnéto-optique, comme nous venons de le voir. Ce flux d'atomes froids est conduit dans des tubes allongés (4 à 5 mètres) soumis à des champs magnétiques gradués. << Les atomes qui ont ''résisté'' au refroidissement ''s'évaporent'' d'eux-mêmes, mais beaucoup d'atomes sont sacrifiés....On part d’environ un milliard d’atomes dans le piège magnétique, pour finir avec un million seulement. >>

    Je pensais que cette technique d'évaporation était seulement une amélioration de la précédente, et je me préparais à clore, enfin, mon étude du refroidissement de l'atome, lorsque je suis ''tombé'' sur la thèse de Gael Reinaudi qui date de Juillet 2008 :

    https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00310387/document

    Manipulation et refroidissement par évaporation forcée d'ensembles atomiques ultra-froids pour la production d'un jet intense dans le régime de dégénérescence quantique : vers l'obtention d'un "laser à atomes continu".

    Les possibilités offertes par cette nouvelle approche de la température du zéro absolu ouvrent un domaine d'étude nouveau qui semble considérable.

    J'ai compris, dès la lecture de son introduction, que nos hypothèses concernant l'électron peuvent servir de marche-pied permettant d'accéder à une nouvelle branche de la physique, celle des relations entre les électrons et le noyau de l'atome au plus bas niveau d'énergie où l'influence de notre onde de structure magnétique devient prépondérante. En fait, la porte est déjà bien ouverte, mais elle l'est ''par obligation expérimentale'' et par des cheminement détournés.

    6) CONCLUSION

    Je dois conclure cette rubrique consacrée au refroidissement des atomes qui était pour moi, au départ, un horizon pratiquement inaccessible. Ne sachant pas comment ni où j'allais aboutir, je me suis ''accroché'' aux scientifiques ayant déjà traité le problème. Je dois arrêter là ayant conscience maintenant de ''tourner en rond''. Et voici que s'ouvre un nouvel horizon qui semble toucher au cœur de l'atome, c'est à dire au cœur de la matière ''froide'', et qui permet d’accéder à des domaines complexes et moins étudiés que ceux de l'énergie ''chaude'' des électrons excités et des bombardement de particules. Me sera-il possible de trouver des éléments d'étude dans ce domaine ? Rien n'est moins sûr étant donné leur nouveauté et la confidentialité des recherches.

    Si je trouve les éléments nécessaires, ma prochaine rubrique N°12 leur sera consacrée.