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Interféromètre à jet de lithium

Responsable : Jacques Vigué

Matthias Büchner, Alain Miffre, Marion Jacquey, Gérard Trénec

Anciens membres de l’équipe : Caroline Champenois, Rémi Delhuille, Alain Miffre

Visiteurs : Leszek Jozefowski (from Krakow) in 1998-1999

Notre équipe a commencé à travailler sur l’interférométrie atomique en 1994, avec des calculs de l’indice de réfraction des gaz pour les ondes atomiques, puis en 1996, nous avons décidé de construire un interféromètre atomique.

Travaux expérimentaux

Nous avons choisi de construire un interféromètre permettant de séparer les deux faisceaux atomiques qui interfèrent, ce qui permet d’appliquer des perturbations variées sur un des deux faisceaux et nous avons choisi d’utiliser des atomes aux énergies thermiques, parce que les séparations entre faisceaux obtenues dans les interféromètres à atomes froids étaient trop petites pour les mesures envisagées.
Notre appareil est un interféromètre de Mach-Zehnder à trois réseaux et il partage certaines caractéristiques des interféromètres construits par les équipes de D. Pritchard et de Siu Au Lee. Comme D. Pritchard, nous utilisons un jet atomique d’un alcalin ensemencé dans un jet supersonique d’argon et, comme Siu Au Lee, nous utilisons la diffraction sur des ondes stationnaires laser dans le régime de Bragg.
La diffraction laser ne permet pas de réaliser des réseaux de très petit pas, puisque le pas du réseau est la demi-longueur d’onde du laser. Comme ce laser doit être continu et monofréquence et comme sa fréquence doit être très proche d’une raie de résonance de l’atome, le choix de la longueur d’onde est fortement contraint par le choix de l’atome et par l’existence d’un laser adapté. Pour avoir un angle de diffraction pas trop petit, il faut donc choisir un atome léger et le lithium s’est donc imposé. Avec une vitesse de 1065 m/s, les atomes de lithium ont une longueur d’onde de 54 picomètres. Comme la première raie de résonance du lithium est à 671 nanomètres, le pas du réseau laser est égal à 335 nanomètres et l’angle de diffraction au premier ordre est proche de 160 microradians.

La diffraction laser dans le régime de Bragg est le processus idéal pour construire un interféromètre atomique, car un faisceau est divisé en seulement deux faisceaux, un faisceau d’ordre 0 et un faisceau d’ordre p. L’ordre p est réglable en sélectionnant l’angle d’incidence sur l’onde stationnaire et on peut, de plus, ajuster l’efficacité de diffraction entre 0 et 100%, en réglant la densité de puissance laser, l’écart entre de fréquence entre le laser et la raie de résonance atomique et enfin le temps d’interaction de l’atome avec la lumière. La figure 1 montre un schéma de principe de notre interféromètre.

Figure 1 : schéma de principe d’un interféromètre utilisant un jet thermique et la diffraction laser à l’incidence de Bragg

Construction et optimisation de notre interféromètre atomique

La construction de notre interféromètre a vraiment débuté en 1998 et, en Juillet 2000, nous avons pu observer la diffraction atomique par laser, dans le régime de Bragg. Nous avons optimisé le fonctionnement du détecteur à fil chaud que nous utilisons pour détecter le faisceau atomique de lithium en sortie d’interféromètre. En 2001, nous avons pu observer de très belles franges d’interférences atomiques, avec une visibilité égale à 74%, ce qui était alors la meilleure visibilité pour un interféromètre utilisant des atomes thermiques. Dans notre interféromètre, les deux chemins atomiques sont séparés de 100 micromètres au niveau du 2e réseau soit presque 2 000 000 de fois la longueur d’onde atomique de 54 picomètres, et la perte de cohérence est faible, puisque le contraste observé est très élevé.

En Juillet 2001, une panne a arrêté notre expérience et de nombreuses difficultés ont empêché un fonctionnement correct jusqu’à l’automne 2003. Depuis cette date, nous avons pu optimiser de manière systématique les réglages de notre interféromètre par une série d’expériences :
- en utilisant le premier ordre de diffraction, nous avons obtenu une visibilité V égale à V = 84.5 1% (voir figure 2)
- nous avons pu observer des interférences en utilisant les 2e et 3e ordres de diffraction, avec des visibilités encore très élevées, égales à V = 54 % et V = 26 % respectivement.
- Nous avons mesuré la sensibilité du contraste aux principaux défauts d’alignement, en bon accord avec une modélisation théorique développée par notre équipe il y a quelques années.

Figure 2 : franges d’interférence observées en déplaçant le miroir M3 formant la troisième onde stationnaire laser. La visibilité vaut V= 84.5 1%.

R. DELHUILLE, C. CHAMPENOIS, M. BÜCHNER, L. JOZEFOWSKI, Th. LAHAYE, R. MATHEVET, C. ROBILLIARD, A. MIFFRE, C. RIZZO, G. TRÉNEC and J. VIGUÉ, " Some theoretical and experimental aspects of three-grating Mach-Zehnder atom interferometers ", Comptes-Rendus de l’Académie des Sciences (Paris) IV, 2, 587-

R. DELHUILLE, C. CHAMPENOIS, M. BÜCHNER, L. JOZEFOWSKI, C. RIZZO, G. TRÉNEC and J. VIGUÉ, " High contrast Mach-Zehnder lithium atom interferometer in the Bragg regime ", Appl. Phys. B. 74, 489-493 (2002)

A. MIFFRE, M. JACQUEY, M. BÜCHNER, G. TRENEC and J. VIGUÉ, " Lithium atom interferometer using laser diffraction : description and experiments ", Eur. Phys. J. D 33, 99-112 (2005) ; preprint sur http://hal.ccsd.cnrs.fr/ccsd-00003124.

Les expériences réalisées avec l’interféromètre lithium

a) Effet d’un gradient de champ magnétique sur les signaux de l’interféromètre

b) Mesure de la polarisabilité électrique statique de l’atome de lithium

c) Mesure de l’indice de réfraction des gaz pour les ondes atomiques

d) Autres travaux : optimisation du détecteur à fil chaud

e) Autres travaux : distribution de vitesse de notre jet atomique

f) Autres travaux : analyse d’un interféromètre optique à 3 réseaux

g) Construction d’un laser puissant et monofréquence émettant à 671 nm

h) Geometrical phase in quantum mechanics :

We measured the HMW phase shift predicted in 1993. This effect seems to be the last member of the geometric phase’s family detectable with free particles. This new example will stimulate further analysis leading to a deeper understanding of these phenomena.

Travaux théoriques

a) Indice de réfraction des gaz pour les ondes atomiques

b) Compréhension du fonctionnement d’un interféromètre atomique

c) Proposition de tester la neutralité électrique des atomes par interférométrie atomique

d) Bruit de phase induit sur le signal d’interférence par les vibrations de l’interféromètre

Financement de nos travaux

Articles de vulgarisation