Article de référence | Réf : R1792 v1

Refroidissement des atomes - Horloges et senseurs inertiels

Auteur(s) : Philippe BOUYER, Arnaud LANDRAGIN

Date de publication : 10 déc. 2005

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RÉSUMÉ

L’optique et l’interférométrie atomique ont considérablement fait progresser  le refroidissement d’atomes par laser. Des applications spectaculaires comme la lithographie atomique, les senseurs inertiels atomiques et les horloges atomiques s’en trouvent considérablement améliorées. L’article s’attarde sur le fonctionnement de ces deux derniers systèmes, pour lesquels le ralentissement des atomes induit un accroissement du temps d’interaction, tandis que leur refroidissement autorise une augmentation du contraste des franges d’interférence.

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Auteur(s)

  • Philippe BOUYER : Chargé de recherche au CNRS - Groupe d’optique atomique, laboratoire Charles-Fabry, Institut d’optique (Orsay)

  • Arnaud LANDRAGIN : Chargé de recherche au CNRS - Systèmes de référence temps-espace (SYRTE), Observatoire de Paris

INTRODUCTION

Depuis les années 1980, le domaine du refroidissement d’atomes par laser a pris une importance considérable et a entraîné, outre l’attribution du prix Nobel en 1998 à C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips et S. Chu, l’essor d’un nouveau domaine : l’optique et l’interférométrie atomiques. Dès 1990, on a vu apparaître un grand nombre d’expériences de principe montrant que l’optique atomique était une réalité présentant un fort potentiel, tant pour la physique fondamentale que pour les applications.

Tout particulièrement, outre les horloges atomiques à atomes froids, deux domaines supplémentaires d’applications semblaient particulièrement prometteurs. D’un côté, un nombre important de laboratoires se consacrait à la réalisation d’éléments de base de l’optique atomique, avec une mention spéciale pour les miroirs à atomes et les structures diffractives (voir les numéros spéciaux particulièrement consacrés à cette thématique comme « Journal of the Optical Society of America B » [1] ou « Special Issue on Atom Optics of Appl. Phys. B » [2] qui offre un recueil des publications des meilleurs groupes de recherche dans le monde). La possibilité de diriger et surtout de focaliser un faisceau d’atomes ouvrait alors la voie à une application potentiellement spectaculaire : la lithographie atomique. Dans ce domaine particulier, l’idée était d’utiliser une figure d’interférence optique pour exercer des forces très localisées sur les atomes et ainsi reproduire la figure optique sur le faisceau atomique.

Le domaine particulier de l’interférométrie atomique a lui aussi évolué rapidement. Après les premières démonstrations, le domaine s’orientait vers l’exploration de nouveaux types d’interféromètres. La sensibilité extrême de ces appareils permettait d’utiliser ces interféromètres pour mettre en évidence des effets spectroscopiques, des effets spécifiques à l’évolution des ondes de matière, ou à la mesure de constantes fondamentales.

Mais c’est une autre application qui se révèle très prometteuse pour l’avenir : les senseurs inertiels atomiques [3].

Un autre événement important est ensuite venu révolutionner le domaine de l’optique et de l’interférométrie atomiques. En effet, l’année 1995 a vu le succès de la réalisation de condensats de Bose-Einstein à partir d’un gaz dilué qui a été célébré par le prix Nobel de E. Cornell, W. Ketterle et C. Weiman en 2001. Un tel condensat est obtenu lorsqu’un nuage de bosons à faible densité est refroidi à une température telle que la longueur d’onde de De Broglie thermique est de l’ordre de la distance interatomique. Dans un tel état, tous les atomes sont dans le même mode quantique (un tel phénomène avait déjà été observé dans les superfluides et les supraconducteurs mais jamais dans les gaz dilués). On peut donc aujourd’hui utiliser dans les interféromètres atomiques une source cohérente d’ondes atomiques, analogue au laser qui est une source cohérente d’ondes électromagnétiques [4].

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r1792


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   *  -  Journal of the Optical Society of America B, 2, no 11 (1985).

  • (2) -   *  -  Special Issue on Atom Optics of Appl. Phys. B, no 54 (1992).

  • (3) - BERMAN (P.R.) (éd.) -   Atom Interferometry  -  . Academic Press (1997).

  • (4) - WESTBROOK (C.), BOUYER (P.), MICHAUT (C.) -   Le laser à atomes en quête d’un futur industriel  -  . La Recherche, no 367 (2003).

  • (5) - FRISCH (O.R.) -   Experimentaller nachweis des einsteinschen stralungrückstoßes  -  . Z. Phys., 86 (42) (1933).

  • (6) - BERTOLOTTI (M.) -   Masers and Lasers : An Historical Approach  -  . Adam Hilger, Bristol (1983).

  • (7)...

1 Thèses

LEDUC (F.) - Caractérisation d’un capteur inertiel à atomes froids - . Université Paris-Sud-11 (2004).

ABRAGALL (M.) - Évaluation des performances de la fontaine atomique PHARAO. Participation à l’étude de l’horloge spatiale PHARAO - . Université Pierre-et-Marie-Curie (2003).

LE COQ (Y.) - Condensats de Bose-Einstein et lasers à atomes - . Université Paris-Sud-11 (2002).

BIZE (S.) - Tests fondamentaux à l’aide d’horloges à atomes froids de rubidium et de césium - . Université Pierre-et-Marie-Curie (2001).

HOLLEVILLE (D.) - Conception et réalisation d’un gyromètre à atomes froids fondé sur l’effet Sagnac pour les sondes de matière - . Université Paris-Sud-11 (2001).

LEMONDE (P.) - PHARAO : étude d’une horloge spatiale utilisant des atomes refroidis par laser ; réalisation d’un prototype - . Université Pierre-et-Marie-Curie (1997).

HAUT DE PAGE

2 Sites Internet

De la lumière aux atomes froids (laboratoire Kastler-Brossel) http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm

Physics 2000 (university of Colorado at Boulder) https://physicscourses.colorado.edu/2000/introduction.html

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