Plus froid : comment les physiciens ont dépassé la limite théorique du refroidissement laser et jeté les bases d’une révolution quantique – Physics World

À la fin des années 1960, une petite communauté de chercheurs a commencé à utiliser les forces de la lumière pour déplacer de petits objets. Au cours de la décennie suivante, le domaine s'est élargi pour inclure le refroidissement laser, une technique puissante qui exploite le Doppler pour produire une force qui ne peut que ralentir les objets, et jamais les accélérer. Au fil des années, ces nouvelles expériences de refroidissement laser se sont développées selon les deux pistes parallèles – ions et atomes – explorées dans partie 1 de cette série : « Froid : comment les physiciens ont appris à manipuler et à déplacer les particules grâce au refroidissement laser ».

À bien des égards, les ions ont eu un avantage précoce. En raison de leur charge électrique, ils subissent des forces électromagnétiques suffisamment fortes pour leur permettre d’être capturés dans des pièges électromagnétiques à haute température et refroidis par des lasers aux longueurs d’onde ultraviolettes. En 1981, les trappeurs d'ions avaient perfectionné cette technique au point de pouvoir piéger et détecter des ions uniques et effectuer sur eux une spectroscopie avec une précision sans précédent.

Les atomes, en revanche, doivent être ralentis avant de pouvoir être piégés par les forces plus faibles exercées par la lumière et les champs magnétiques. Pourtant, en 1985 facture phillips et collègues du Bureau national des normes des États-Unis à Gaithersburg, dans le Maryland, avait utilisé la lumière pour ralentir presque jusqu'à l'arrêt un faisceau d'atomes de sodium, puis les avait confinés dans un piège magnétique. Au-delà de cela, le principal défi pour les futurs dompteurs d’atomes semblait impliquer de s’appuyer sur ces travaux pour rendre le piégeage des atomes neutres plus efficace et de repousser les limites du processus de refroidissement lui-même.

Les deux projets réussiraient au-delà de toutes les attentes. Et comme nous l'avons vu dans la première partie, les racines de ce succès remontent à Arthur Ashkins at Bell Labs.

Bonne idée, exécution inadéquate

La dernière fois que nous avons rencontré Ashkin, c'était en 1970 et il venait de développer la technique de « pincement optique » qui lui vaudrait un prix Nobel près de 50 ans plus tard. À la fin des années 1970, il travaillait avec ses collègues des Bell Labs sur des expériences impliquant un faisceau atomique. "Rick Freeman J'avais une machine à faisceau atomique et j'avais quelques expériences intéressantes à faire avec un faisceau atomique, mais je n'étais pas très enthousiasmé par la construction d'une machine à faisceau atomique », se souvient John Bjorkholm, alors collègue d'Ashkin.

En superposant un faisceau laser avec le faisceau d'atomes, Ashkin et Bjorkholm ont montré qu'il était possible de focaliser ou de défocaliser les atomes en ajustant la fréquence de la lumière. Avec le laser réglé sur le rouge – à une fréquence légèrement inférieure à celle que les atomes « veulent » absorber – l’interaction entre les atomes et la lumière réduirait l’énergie interne des atomes (le « décalage de lumière »), attirant les atomes dans le faisceau laser. Avec le laser réglé sur le bleu, les atomes ont été expulsés.

Ashkin a eu plusieurs idées pour transformer ce phénomène en une méthode « tout optique » pour piéger les atomes (c'est-à-dire sans les champs magnétiques utilisés par le groupe de Phillips). Malheureusement, Ashkin et Bjorkholm ont eu du mal à le mettre en œuvre car le faisceau atomique de Freeman était construit avec des fenêtres en plexiglas qui ne pouvaient pas supporter des pressions suffisamment basses. Les atomes et les molécules qui s'infiltraient de l'extérieur n'étaient pas affectés par les lasers de refroidissement et, par conséquent, lorsqu'ils entraient en collision avec les atomes du faisceau, ils expulsaient les atomes cibles du piège. Après quelques années de résultats décevants, les dirigeants des Bell Labs se sont montrés mécontents des expériences et ont poussé Ashkin à poursuivre autre chose.

Nageurs dans un fluide visqueux

À cette époque, un jeune chercheur ayant une réputation (auto-proclamée) de « gars capable de réaliser des expériences difficiles » a emménagé dans un bureau près de celui d'Ashkin dans les installations Holmdel des Bell Labs. Son nom était Steve Chu, et il s'est intéressé aux idées d'Ashkin. Ensemble, ils ont construit un système à ultra-vide adapté au refroidissement et au piégeage des atomes, ainsi qu'un système permettant de ralentir les atomes de sodium en balayant rapidement la fréquence du laser pour compenser le changement de décalage Doppler. Cette dernière technique est connue sous le nom de « refroidissement chirp » ; Par une heureuse coïncidence, les scientifiques qui ont développé l'une de ses technologies clés se trouvaient également à Holmdel.

À ce stade, Chu a suggéré de pré-refroidir les atomes en les éclairant avec trois paires perpendiculaires de faisceaux laser à propagation contrariante, tous réglés sur une fréquence juste en dessous de la fréquence de transition des atomes, comme indiqué dans la partie 1. Cette configuration fournit une force de refroidissement. dans les trois dimensions simultanément : un atome qui monte voit le faisceau laser Doppler descendant se déplacer vers le haut, absorbe les photons et ralentit ; un atome se déplaçant vers la gauche voit les photons du faisceau allant vers la droite décalés vers le haut, et ainsi de suite. Quelle que soit la direction dans laquelle les atomes se déplacent, ils ressentent une force s'opposant à leur mouvement. La similitude avec le sort d’un nageur dans un fluide visqueux a conduit Chu à le surnommer « mélasse optique » (figure 1).

L’équipe des Bell Labs a fait la démonstration de la mélasse optique en 1985, collectant des milliers d’atomes à partir d’un faisceau refroidi par chirp. Comme son nom l’indique, la mélasse optique était très « collante », retenant les atomes dans les faisceaux superposés pendant environ un dixième de seconde (pratiquement une éternité en physique atomique) avant qu’ils ne s’éloignent. Dans la région de la mélasse, les atomes absorbent et réémettent constamment la lumière des lasers de refroidissement, ils apparaissent donc comme un nuage lumineux diffus. La quantité totale de lumière permettait de mesurer facilement le nombre d’atomes.

Ashkin, Chu et leurs collaborateurs ont également pu estimer la température des atomes. Pour ce faire, ils ont mesuré le nombre d'atomes présents dans la mélasse, ont éteint la lumière pendant une courte période, puis l'ont rallumée et ont mesuré à nouveau le nombre. Pendant l'intervalle d'obscurité, le nuage d'atomes se dilatait et certains atomes s'échappaient de la région des faisceaux de mélasse. Ce taux d'échappement a permis à l'équipe de calculer la température des atomes : environ 240 microkelvins, ce qui correspond exactement au minimum attendu pour les atomes de sodium refroidis par laser.

Transformer la mélasse en piège

Malgré son caractère collant, la mélasse optique n'est pas un piège. Bien que cela ralentisse les atomes, une fois que ceux-ci dérivent jusqu’au bord des faisceaux laser, ils peuvent s’échapper. Un piège, en revanche, fournit une force qui dépend de la position, repoussant les atomes vers une région centrale.

Le moyen le plus simple de créer un piège consiste à utiliser un faisceau laser étroitement focalisé, similaire aux pinces optiques développées par Ashkin pour piéger des objets microscopiques. Alors que le volume du foyer laser ne représente qu'une infime fraction du volume de la mélasse, Ashkin, Bjorkholm et (indépendamment) Chu ont réalisé qu'un nombre important d'atomes pouvaient néanmoins s'accumuler dans un tel piège par diffusion aléatoire dans la mélasse. Lorsqu’ils ont ajouté un faisceau laser distinct de piégeage à leur mélasse, les résultats étaient prometteurs : un petit point lumineux est apparu dans le nuage diffus de mélasse, représentant plusieurs centaines d’atomes piégés.

Cependant, aller au-delà de cela présentait des défis techniques. Le problème est que le changement des niveaux d’énergie atomique qui rend possible le piégeage optique à faisceau unique entrave le processus de refroidissement : lorsque le laser de piégeage abaisse l’énergie de l’état fondamental de l’atome, il modifie le désaccord de fréquence effectif du laser de refroidissement. L’utilisation d’un deuxième laser et l’alternance entre refroidissement et piégeage améliorent le nombre d’atomes pouvant être piégés, mais au prix d’une complexité supplémentaire. Pour progresser davantage, les physiciens auraient besoin soit d’atomes plus froids, soit d’un meilleur piège.

La connexion française

Les deux étaient à l’horizon. Claude Cohen Tannoudji et son groupe de l'École Normale Supérieure (ENS) de Paris abordaient principalement le refroidissement laser du point de vue théorique. Jean Dalibard, alors nouvellement titulaire d'un doctorat dans le groupe, se souvient avoir étudié les analyses théoriques d'Ashkin et Jim Gordon (« un papier fantastique ») et par le duo soviétique de Vladilen Letokhov et Vladimir Minogin, qui (avec Boris D Pavlik) avait dérivé la température minimale pouvant être atteinte avec le refroidissement laser en 1977.

Comme nous l’avons vu dans la première partie, cette température minimale est connue sous le nom de limite de refroidissement Doppler et découle des « coups de pied » aléatoires qui se produisent lorsque les atomes réémettent des photons après avoir absorbé la lumière de l’un des faisceaux de refroidissement. Curieux de savoir à quel point cette « limite » était réellement ferme, Dalibard a cherché des moyens de garder les atomes « dans l’obscurité » autant que possible. Pour ce faire, il a exploité une propriété des atomes réels qui n’est pas capturée par la théorie standard du refroidissement Doppler : les états atomiques réels ne sont pas des niveaux d’énergie uniques, mais des ensembles de sous-niveaux ayant la même énergie mais des moments cinétiques différents (figure 1).

Ces différents sous-niveaux, ou états d'impulsion, changent d'énergie en présence d'un champ magnétique (effet Zeeman). À mesure que le champ devient plus fort, certains états augmentent en énergie, tandis que d’autres diminuent. Ces rôles sont ensuite inversés lorsque la direction du champ s'inverse. Un autre facteur de complication est que la polarisation de la lumière laser détermine quels sous-niveaux absorberont les photons. Alors qu’une polarisation déplace les atomes entre les états d’une manière qui augmente le moment cinétique, une autre le diminue.

Dans son analyse théorique, Dalibard a combiné ces sous-niveaux avec un champ magnétique qui est nul à un moment donné et augmente à mesure que les atomes se déplacent vers l'extérieur. Ce faisant, il a créé une situation dans laquelle le désaccord efficace de la fréquence du laser dépendait de la position des atomes. (Phillips et ses collègues ont utilisé une configuration similaire pour leur piège magnétique, mais avec un champ beaucoup plus élevé.) Les atomes ne pouvaient donc absorber un laser particulier qu'à la position spécifique où la combinaison du désaccord, du décalage Doppler et du décalage Zeeman était parfaite ( figure 3).

Dalibard espérait que restreindre ainsi la capacité des atomes à absorber la lumière pourrait abaisser leur température minimale. Après avoir calculé que ce ne serait pas le cas, il a rangé l'idée de côté. "J'ai vu que c'était un piège, mais je ne cherchais pas un piège, je cherchais un refroidissement sous-Doppler", explique-t-il.

Cela aurait pu être là où ça s'est terminé s'il n'y avait pas eu Dave Prichard, physicien au Massachusetts Institute of Technology qui a visité le groupe de Paris en 1986. Au cours de la visite, Pritchard a donné une conférence sur les idées permettant de produire des pièges de plus grand volume et a terminé en disant qu'il accueillerait favorablement d'autres – meilleures – suggestions.

« Je suis allé voir Dave et je lui ai dit : « Eh bien, j'ai une idée, et je ne suis pas sûr qu'elle soit meilleure, mais elle est différente de la vôtre » », se souvient Dalibard. Pritchard a ramené l'idée de Dalibard aux États-Unis et, en 1987, lui et Chu ont construit le premier piège magnéto-optique (MOT) basé sur l'analyse de Dalibard. Dalibard s'est vu proposer d'être co-auteur de l'article résultant, mais il était heureux d'être simplement reconnu dans les remerciements.

Il est difficile d’exagérer à quel point le MOT a été révolutionnaire pour le développement du refroidissement laser. Il s'agit d'un dispositif relativement simple, ne nécessitant qu'une seule fréquence laser et un champ magnétique relativement faible pour produire des pièges puissants. Le meilleur dans tout, c’est sa capacité. Le premier piège entièrement optique de Chu et Ashkin contenait des centaines d'atomes, le premier piège magnétique de Phillips plusieurs milliers, mais le premier piège magnéto-optique contenait dix millions d'atomes. Parallèlement à l'introduction des lasers à diode bon marché par Carl Wieman à l'Université du Colorado (dont nous parlerons davantage dans la troisième partie de cette série), l'avènement du MOT a déclenché une explosion rapide du nombre de groupes étudiant le refroidissement laser dans le monde. Le rythme de la recherche était sur le point de s'accélérer.

La loi de Murphy prend des vacances

Alors que Pritchard et Chu construisaient le premier MOT, Phillips et ses collègues de Gaithersburg rencontraient un problème extrêmement inhabituel avec leur mélasse optique. Contrairement à toutes les attentes de la physique expérimentale, la mélasse fonctionnait trop bien. En fait, il pourrait refroidir les atomes même si certains de ses faisceaux étaient partiellement bloqués.

Cette découverte est due en partie au fait que le refroidissement laser était censé être un projet parallèle de Phillips. Son laboratoire était donc installé dans une salle de préparation reliée à un atelier d'usinage. Pour empêcher la poussière et la graisse de s'accumuler sur le système d'aspiration du laboratoire, les membres du groupe couvraient les fenêtres du système avec du plastique ou du papier filtre la nuit. "De temps en temps, vous obteniez cette mélasse très déformée", se souvient Paul Lett, qui a rejoint le groupe en 1986, « et alors vous vous rendriez compte que, oh, nous n'avons pas retiré ce morceau de papier filtre. C’était remarquable que cela ait fonctionné.

Cette persistance surprenante a conduit Lett à faire pression pour une étude plus systématique, comprenant un nouvel ensemble de mesures de température. La méthode de « libération et recapture » ​​développée par le groupe des Bell Labs comportait des incertitudes relativement importantes. Le groupe de Phillips a donc essayé une nouvelle méthode consistant à détecter la lumière émise lorsque les atomes traversaient un faisceau sonde placé près de la mélasse. Lorsque la mélasse était éteinte, les atomes s'envolaient. Le temps qu’ils mettraient pour atteindre la sonde donnerait une mesure directe de leur vitesse, et donc de leur température.

Comme toutes les expériences de refroidissement laser, le laboratoire de Phillips a emballé de nombreuses lentilles et miroirs dans un espace minuscule, et l'endroit le plus pratique pour placer la sonde s'est avéré être légèrement au-dessus de la région de la mélasse. Cela aurait dû fonctionner correctement pour les atomes se déplaçant à leur vitesse limite Doppler, mais lorsque Lett a tenté l'expérience, aucun atome n'a atteint la sonde. Finalement, lui et ses collègues ont déplacé la position de la sonde sous la mélasse, à quel point ils ont vu un beau signal. Il n’y avait qu’un seul problème : la limite de refroidissement Doppler était de 240 microkelvins, mais cette mesure du « temps de vol » montrait une température de 40 microkelvins.

Ce résultat semble violer la loi de Murphy, selon laquelle « tout ce qui peut mal tourner arrivera », et ils n'étaient donc pas disposés à l'accepter immédiatement. Ils ont de nouveau mesuré la température en utilisant plusieurs techniques différentes, y compris une libération et une recapture améliorées, mais ils ont toujours obtenu le même résultat : les atomes étaient beaucoup plus froids que ce que la théorie prétendait possible.

Au début de 1988, Phillips et sa société ont contacté d'autres groupes de la communauté très unie des refroidisseurs laser, leur demandant de vérifier les températures dans leurs propres laboratoires. Chu et Wieman ont rapidement confirmé le résultat surprenant : la mélasse optique fonctionnait non seulement pour refroidir les atomes, mais elle fonctionnait mieux que ce que la théorie prévoyait.

Grimper une colline

Le groupe de Paris n'avait pas encore de programme expérimental, mais Dalibard et Cohen-Tannoudji ont attaqué le problème théoriquement en utilisant le même facteur du monde réel utilisé par Dalibard pour développer le MOT : plusieurs états atomiques internes. L’état fondamental du sodium comporte cinq sous-niveaux avec la même énergie, et la répartition des atomes entre ces états dépend de l’intensité et de la polarisation de la lumière. Ce processus de distribution, appelé « pompage optique », était au cœur des recherches spectroscopiques menées à l’ENS de Paris sous la direction de Cohen-Tannoudji. Son groupe était donc particulièrement bien placé pour explorer comment ces états supplémentaires pourraient améliorer le refroidissement du laser.

La caractéristique clé s'avère être la polarisation de la lumière laser, qui, en physique classique, correspond à l'axe du champ électrique oscillant de la lumière. La combinaison de six faisceaux à propagation inverse produit une distribution complexe de polarisations car les faisceaux se combinent de différentes manières à différents endroits de la mélasse optique. Les atomes sont constamment pompés optiquement dans différentes configurations, prolongeant le processus de refroidissement et permettant des températures plus basses.

À l'été 1988, Dalibard et Cohen-Tannoudji avaient mis au point un modèle élégant pour expliquer le refroidissement sous-Doppler. (Chu est arrivé indépendamment à un résultat similaire, qu'il se souvient avoir obtenu dans un train entre deux conférences en Europe.) Ils ont considéré un atome simplifié avec seulement deux sous-niveaux d'état fondamental, traditionnellement étiquetés –½ et +½, éclairé par deux faisceaux laser se propageant dans directions opposées avec polarisations linéaires opposées. Cela crée un motif qui alterne entre deux états de polarisation, appelés σ^- et σ⁺.

Un atome dans une région de σ^- la polarisation sera pompée optiquement dans l’état –½, qui subit un important déplacement de lumière qui réduit son énergie interne. Lorsque l'atome se déplace vers le σ⁺ Dans la région de polarisation, le déplacement de la lumière diminue et l'atome doit ralentir pour compenser, perdant de l'énergie cinétique pour compenser l'augmentation de l'énergie interne, comme une balle roulant sur une colline. Lorsqu'il atteint le σ⁺ lumière, le pompage optique le fera passer à l'état +½, qui a un décalage lumineux important. L'atome ne récupère pas l'énergie qu'il a perdue en gravissant la « colline » hors du σ^- région, cependant, donc elle se déplace plus lentement à mesure que le processus recommence : le décalage de la lumière diminue à mesure qu'elle se déplace vers le σ suivant^- région, donc il perd de l’énergie, puis pompe optiquement jusqu’à –½, et ainsi de suite.

Ce processus de perte d'énergie en gravissant constamment des « collines » lui a donné un nom frappant : Dalibard et Cohen-Tannoudji l'ont surnommé le refroidissement de Sisyphe, d'après le roi du mythe grec qui était condamné à passer l'éternité à pousser un rocher sur une colline pour que le rocher glisse. loin et revenir au fond (figure 4). Les atomes contenus dans la mélasse optique se retrouvent dans une situation similaire, gravissant toujours des collines et perdant de l'énergie pour ensuite être renvoyés par le pompage optique vers le bas et les forcer à recommencer.

Les récompenses de Sisyphe

La théorie derrière le refroidissement de Sisyphe fait des prédictions concrètes sur les températures minimales et comment elles dépendent du désaccord laser et du champ magnétique. Ces prédictions ont été rapidement confirmées dans les laboratoires du monde entier. À l'automne 1989, le Journal de la société optique d'Amérique B a publié un numéro spécial sur le refroidissement laser contenant les résultats expérimentaux du groupe de Phillips à Gaithersburg, la théorie de Sisyphe de Paris et un article combiné expérimental et théorique du groupe de Chu, qui avait alors déménagé des Bell Labs à l'Université de Stanford en Californie. Pendant la majeure partie de la décennie suivante, ce numéro spécial a été considéré comme la source définitive pour les étudiants cherchant à comprendre le refroidissement laser, et Cohen-Tannoudji et Chu ont ensuite partagé les Prix ​​Nobel de physique 1997 avec Phillips.

Poussé à sa limite, l’effet Sisyphe peut refroidir les atomes au point où ils n’ont plus assez d’énergie pour gravir ne serait-ce qu’une seule « colline » et sont plutôt confinés à une minuscule région d’une seule polarisation. Ce confinement est aussi étroit que pour les ions piégés, ce qui rend les deux branches de refroidissement laser bien symétriques. Au début des années 1990, les ions piégés et les atomes neutres pouvaient tous deux être refroidis à un régime où leur nature quantique devenait apparente : un seul ion dans un piège, ou un atome dans un « puits » créé lors du refroidissement de Sisyphe, ne peut exister que dans certaines énergies discrètes. États. Ces états discrets furent bientôt mesurés pour les deux systèmes ; aujourd’hui, ils constituent un élément essentiel de l’informatique quantique avec des atomes et des ions.

Une autre piste de recherche intéressante concernait les puits eux-mêmes. Ceux-ci se forment lorsque des faisceaux lumineux interfèrent et se présentent naturellement en grands réseaux espacés de la moitié de la longueur d’onde du laser. La nature périodique de ces réseaux dits optiques imite la structure microscopique de la matière solide, les atomes jouant le rôle d’électrons dans un réseau cristallin. Cette similarité fait des atomes piégés une plateforme utile pour explorer les phénomènes physiques de la matière condensée tels que la supraconductivité.

Cependant, pour réellement explorer la supraconductivité avec des atomes froids, le réseau doit être chargé d’atomes à une densité plus élevée et à une température encore plus basse que celle pouvant être obtenue avec le refroidissement de Sisyphe. Comme nous le verrons dans la troisième partie, pour y parvenir, il faudrait encore un nouvel ensemble d'outils et de techniques, et ouvrirait la possibilité de créer non seulement des analogues de systèmes connus, mais aussi des états de matière entièrement nouveaux.

• Partie 3 de l'histoire du refroidissement laser par Tchad Orzel sera publié prochainement sur Monde de la physique

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• La source: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/