EP1130949A1 - Dispositif électromagnetique pour la production d'atomes froids - Google Patents

Dispositif électromagnetique pour la production d'atomes froids Download PDF

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EP1130949A1
EP1130949A1 EP01400460A EP01400460A EP1130949A1 EP 1130949 A1 EP1130949 A1 EP 1130949A1 EP 01400460 A EP01400460 A EP 01400460A EP 01400460 A EP01400460 A EP 01400460A EP 1130949 A1 EP1130949 A1 EP 1130949A1
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poles
production
electromagnetic device
neutral atoms
atoms according
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Philippe Bouyer
Alain Aspect
Michel Lecrivain
Bruno Desruelle
Vincent Boyer
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Direction General de lArmement DGA
Gouvernement de la Republique Francaise
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Delegation Generale pour lArmement
Gouvernement de la Republique Francaise
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02—Molecular or atomic-beam generation, e.g. resonant beam generation

Definitions

  • the present invention relates to the field of production of cold neutral atoms by magnetic trapping.
  • the invention relates more particularly to a electromagnetic device for the production of atoms cold neutrals comprising a ferromagnetic structure with 4 poles arranged in the same excited XOY plane by main coils (the quadrupole) providing the main excitation, and two additional poles (the dipole) oriented along a Z axis perpendicular to the plane of said four poles, the poles being coupled magnetically by one or more cylinder heads.
  • main coils the quadrupole
  • the dipole the dipole
  • the invention relates in its most general sense to a device having additional poles constituted by a excited external structure and internal structure separately by two coils traversed by currents contrary.
  • This device constitutes an Ioffé-Pritchard trap with bias compensated for trapping and / or creation of a coherent source of cold atoms (Bose-Einstein condensates), allowing to realize high compression rates with low consumption electric. It allows continuous or pulsed operation with cut-off times of 100 microseconds. It allows also an adjustment of the magnetic fields produced by the different coils by adjusting the current browsing the excitation coils.
  • the additional poles are formed by a substantially cylindrical core having a end hollowed out by an annular cavity coaxial with inside which the excitation coil is housed interior.
  • certain poles at least have a sleeve with a tubular channel for circulation of a thermoregulation fluid.
  • said sleeve is surrounded by the compensation coil.
  • the cylinder heads are made up a first annular element extending over 180 ° extended to each end by second annular elements extending over 90 °, in a plane perpendicular to the plane of the first element, each of said second annular elements being coupled to an annular element extending over 180 ° in a plane perpendicular to the other elements annulars.
  • the cylinder heads and poles are made of a material ferromagnetic limiting the eddy currents, in particular a laminated ferromagnetic material or sintered materials.
  • the cylinder head has a annular lamination perpendicular to the lamination of poles.
  • the end of certain poles at the less has a beveled shape.
  • Figure 1 shows a view of a first variant.
  • the device consists of two elements of two torus-shaped cylinder heads (1, 2), and by six elements polar (3 to 8) radial.
  • the cylinder heads (1, 2) are formed by winding a strip of ferromagnetic material.
  • the cylinder heads have different radii to allow fitting the inner cylinder head into the cylinder head exterior, the two cylinder heads (1, 2) having planes perpendicular medians.
  • the first cylinder head (1) is placed in the YOZ plane.
  • the second cylinder head (2) is placed in the XOZ plane.
  • the four poles (3,5,7,8) are placed in the XOY plane. They are formed by a nucleus ferromagnetic made of a laminated material, surrounded by a coil (13,17,15,18) in copper tube providing the main excitation, and by an additional coil not shown in the figure, providing a field of compensation of residual fields.
  • the last two poles (4, 6) are oriented along the Z axis and consist of a ferromagnetic core made of a laminated material surrounded by an external coil (14 and 16). These two poles (4, 6) further include an internal coil (27, 28) traversed by a current in the opposite direction to the current flowing through the external coil.
  • the external structure creates a field of the same shape which will make it possible to compensate B 0 while retaining a high value for C.
  • the device also comprises a quadrupole (3, 5, 7, 8) a dipole formed by the two poles (4,6) arranged along the z axis,
  • Figure 2 shows a view detailed, in longitudinal section.
  • the purpose of this dipole is compensation for the constant field at the center of the trap to produce significant containment, and allowing obtain pulse rates greater than 0.01 hertz, of the order of hertz.
  • the poles of the dipole have a core (31) laminated have a frustoconical end (30).
  • the core has an axial cavity (32) of annular shape in which a coil is housed electric (35) surrounding a cylindrical core (31).
  • the main core (31) is surrounded by a first main coil (14, 16) (Fig. 1) and a coil compensation of the residual fields (37).
  • the main coils (36) and the coil internal (35) are supplied in series and in opposition by pulse mode.
  • the coils of one of the poles and the coils of the complementary pole opposite are itself connected for a series supply, in the same direction and no longer in opposition.
  • the secondary field compensation coil retentive (37) is mounted on a structure of annular thermostabilization (38), surrounding the central part of the pole (31).
  • This annular structure (38) has an annular channel (39) for circulation of a thermostatically controlled fluid.
  • All of the coils are powered by a impulse current of the order of 150 W to produce a gradient of around 2400 gauss per centimeter, with a merit factor F of the order of 80,000.
  • the inter-pole distance is around 4 centimeters.
  • the diameter of the poles is around 20 millimeters.
  • a cylindrical cell with a diameter of 25 millimeters is placed in this space.
  • Figure 2 shows a variant of creation of a trapping structure for cold atoms.
  • the ferromagnetic structure is composed of two semicircular rings (50, 51) arranged in perpendicular planes. These two arches (50, 51) are connected by arches (52, 53) in a quarter circle whose ends are respectively coupled to the ends of semi-circular arches (50, 51). These arches (52, 53) in quarter circle are in a third plane XOY perpendicular to the intersection of the two above-mentioned planes.
  • the structure comprising 4 main poles (54 to 57) XOY quadrupoles excited by coils (58, 59) powered by currents in the same direction, the coils (58, 59) surrounding the arches (52, 53) in a quarter of a circle.
  • the semi-circular arches (50, 51) are each coupled with an additional pole (60, 61) extending radially. These poles (60, 61) are surrounded by a heat stabilizing structure.
  • the main excitement is supplied by the coils (66, 67) and (68, 69) distributed over the semicircular arch (50, 51) on either side of the secondary pole (60, 61). They are crossed by contrary currents.
  • the devices according to the invention make it possible to generate a very steep, adjustable magnetic potential.
  • Figure 4 shows an example of equipment using a device according to one or other of the variants of the invention.
  • the equipment includes a recirculation oven (100) heated to about 140 ° C to produce a jet of 87 Rb atoms.
  • a 2D optical molasses produced by a transverse laser beam produces the collimation of the jet and makes it possible to orient it in the axis of a tube (101).
  • This tube (101) opens into a primary enclosure (102) connected to a vacuum pump (103).
  • the pressure P 1 prevailing in the enclosure (102) is approximately 10 -9 millibar.
  • the pump is a turbo pump with a high compression ratio (greater than 19 9 for nitrogen).
  • the enclosure (102) is provided with a cold cathode gauge (105) for measuring the pressure.
  • Molasses is obtained by laser diodes of power 50 to 100 mW and a master laser of 3.5 mW at 780 nm with a line width of 1 MHz.
  • a cold cylinder is positioned in the enclosure, to ensure the bonding of atoms not collimated. It is formed by a metal block pierced with a 10 millimeter diameter hole. It only lets through the atoms of the jet emitted on the axis. This cylinder is cooled by a plunger (106) which ensures circulation ethylene glycol at -55 ° C.
  • a valve (107) isolates the enclosure secondary.
  • An ion pump (108) provides vacuum intermediate through a slowdown tube (109). This slowdown tube (109) allows to isolate thermally the oven (100) of the secondary enclosure (112).
  • the secondary enclosure (112) consists of a cell glass of 1x2 cm connected to an ion pump (113) and a titanium enhancer. The walls are periodically heated to compensate for the formation of vapor from the Rubidium.
  • the electromagnetic trap (120) according to the invention is placed at the outlet of a retarder (118) comprising an electric coil (119).
  • Figure 5 shows the time sequence equipment.
  • the different stages of a operation are synchronized.
  • the quadrupole field spherical produced by the main poles is interrupted and the trap beam disagreement is increased prior to switching off the decompressor harness. During of this sequence, the lateral repumping beams remain on.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids comprenant une structure ferromagnétique présentant quatre pôles disposés dans un même plan XOY excités par des bobines principales fournissant l'excitation principale, et deux pôles additionnels orientés selon un axe Z perpendiculaires au plan desdits quatre pôles, les pôles étant couplés magnétiquement par une ou plusieurs culasses. Les pôles additionnels sont constitués par une structure externe et une structure interne excités séparément par deux bobines parcourues par des courants contraires.

Description

La présente invention concerne le domaine de la production d'atomes neutres froids par piégeage magnétique.
Le principe général du piégeage magnétique d'atomes est connu. L'article "Permanent magnet trap for cold atoms" paru dans Phys. Rev. A 51, R22 (1995) décrit par exemple un dispositif comportant des aimants permanents capables de donner un champs très élevé. Le piège est chargé à partir d'un jet ralenti. Une mélasse à six faisceaux au coeur du piège permet de procéder à un premier refroidissement du gaz piégé à une température de 200 microkelvins. Pour atteindre les hautes densités nécessaires à l'obtention d'un fort taux de collisions élastiques, il est nécessaire de disposer d'un potentiel magnétique très raide. Les courbures générées par les dispositifs de l'art antérieur sont de l'ordre de 1000 Gauss par cm2.
De tels dispositifs ne permettent toutefois pas d'extraire le condensat hors du potentiel magnétique en coupant le champ, ni de modifier les courbures de champ. Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé des dispositifs comprenant des électro-aimants.
L'invention concerne plus particulièrement un dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids comprenant une structure ferromagnétique présentant 4 pôles disposés dans un même plan XOY excités par des bobines principales (le quadripôle) fournissant l'excitation principale, et deux pôles additionnels (le dipôle) orientés selon un axe Z perpendiculaires au plan desdits quatre pôles, les pôles étant couplés magnétiquement par une ou plusieurs culasses. On entend par "culasse" une pièce en matériau ferromagnétique assurant la circulation du flux.
Il est par ailleurs possible d'ajouter sur un ou plusieurs pôles des bobines pour la compensation des champs rémanents.
Un tel dispositif est décrit dans l'article "Trapping cold neutral atoms with an iron-core electromagnet" paru dans "The european physical journal JD1, 255-258.
Ce document divulgue l'utilisation d'un électro-aimant à noyau ferromagnétique pour générer le champ magnétique de piégeage. De tels dispositifs ne sont pas totalement satisfaisants car les courants de Foucault limitent les temps de montée et de coupure du champ magnétique.
Pour remédier à ces inconvénients et réaliser un dispositif présentant des performances accrues, notamment un meilleur pouvoir de confinement, l'invention concerne dans son acception la plus générale un dispositif présentant des pôles additionnels constitués par une structure externe et une structure interne excités séparément par deux bobines parcourues par des courants contraires.
Ce dispositif constitue un piège de Ioffé-Pritchard à biais compensé pour le piégeage et/ou la réalisation d'une source cohérente d'atomes froids (condensats de Bose-Einstein), permettant de réaliser de forts taux de compression avec une faible consommation électrique. Il autorise un fonctionnement continu ou pulsé avec des temps de coupure de 100 microsecondes. Il permet également un ajustement des champs magnétiques produits par les différentes bobines par un ajustement du courant parcourant les bobines d'excitation.
Avantageusement, les pôles additionnels sont formés par un noyau sensiblement cylindrique présentant une extrémité creusée par une cavité annulaire coaxiale à l'intérieur de laquelle est logée la bobine d'excitation intérieure.
Selon une variante préférée, certains pôles au moins présentent un manchon pourvu d'un canal tubulaire pour la circulation d'un fluide de thermorégulation.
De préférence, ledit manchon est entouré par la bobine de compensation.
Selon une variante, les culasses sont constituées par deux éléments annulaires de rayon Rint et Rext avec Rext = Rint + E où E désigne l'épaisseur de la culasse, les deux éléments étant emboítables et positionnés dans deux plans perpendiculaires.
Avantageusement, les culasses sont constituées un premier élément annulaire s'étendant sur 180° prolongé à chaque extrémité par des seconds éléments annulaires s'étendant sur 90°, dans un plan perpendiculaire au plan du premier élément, chacun desdits seconds éléments annulaires étant couplés à un élément annulaire s'étendant sur 180° dans un plan perpendiculaire aux autres éléments annulaires.
Selon un mode de réalisation préféré, les culasses et les pôles sont constitués en un matériau ferromagnétique limitant les courants de Foucault, notamment un matériau ferromagnétique feuilleté ou des matériaux fritté. Selon un exemple, la culasse présente un feuilletage annulaire perpendiculaire au feuilletage des pôles.
De préférence, l'extrémité de certains pôles au moins présente une forme biseautée.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à un exemple non limitatif de réalisation et aux figures annexées où :
  • la figure 1 représente une vue schématique d'une première variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention ;
  • la figure 2 représente une vue en coupe médiane d'un pôle additionnel, à une échelle agrandie ;
  • la figure 3 représente une variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
  • la figure 4 représente une vue schématique d'un équipement mettant en oeuvre un dispositif selon l'invention.
  • la figure 5 représente le cycle de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention.
La figure 1 représente une vue d'un première variante de réalisation.
Le dispositif est constitué de deux éléments de deux culasses (1, 2) de forme torique, et par six éléments polaires (3 à 8) radiaux.
Les culasses (1, 2) sont formées par l'enroulement d'une bande de matériau ferromagnétique. Les culasses présentent des rayons différents pour permettre l'emboítement de la culasse intérieure dans la culasse extérieure, les deux culasses (1, 2) présentant des plans médians perpendiculaires. La première culasse (1) est placée dans le plan YOZ. La deuxième culasse (2) est placée dans le plan XOZ. Les quatre pôles (3,5,7,8) sont placés dans le plan XOY. Ils sont formés par un noyau ferromagnétique réalisé en un matériau feuilleté, entouré par une bobine (13,17,15,18) en tube de cuivre fournissant l'excitation principale, et par une bobine additionnelle non représentée sur la figure, fournissant un champ de compensation des champs rémanents.
Les pôles (3 et 5) et (7, 8) du plan XOY sont placés en vis-à-vis et sont excités par des courants contraires pour créer un champ quadripolaire dans le plan XOY d'amplitude B=G(xex+yey) ; où G désigne le gradient de champ magnétique.
Les deux derniers pôles (4, 6) sont orientés selon l'axe Z et sont constitués d'un noyau ferromagnétique réalisé en un matériau feuilleté entouré par une bobine externe (14 et 16). Ces deux pôles (4, 6) comportent en outre une bobine interne (27, 28) parcourue par un courant en sens contraire du courant parcourant la bobine externe. La structure interne permet de créer un champ dipolaire d'axe de symétrie Z : Bz = B 0 + C(z 2 - x 2 + y 2 2 ) où C désigne la courbure du champ dipolaire (axe 3).
La structure externe crée un champ de même forme qui va permettre de compenser B0 tout en conservant une valeur élevée pour C. On obtient un champ total dont le module correspond à un potentiel de type Ioffé-Pritchard :
Figure 00050001
Le dispositif comporte en outre du quadripôle (3, 5, 7, 8) un dipôle formé des deux pôles (4,6) disposés selon l'axe z dont la figure 2 représente une vue détaillée, en coupe longitudinale. Ce dipôle a pour fonction la compensation du champ constant au centre du piège pour produire un confinement important, et permettant d'obtenir des cadences d'impulsion supérieures à 0,01 hertz, de l'ordre du hertz.
Les pôles du dipôle comportent un noyau (31) feuilleté présentent une extrémité tronconique (30).
Le noyau présente une cavité axiale (32) de forme annulaire dans laquelle est logée une bobine électrique (35) entourant un noyau cylindrique (31).
Le noyau principal (31) est entouré par une première bobine principale (14, 16) (Fig.1) et une bobine de compensation des champs rémanants (37).
Les bobines principale (36) ainsi que la bobine interne (35) sont alimentées en série et en opposition en mode impulsionnel. Les bobines de l'un des pôles et les bobines du pôle complémentaire en vis-à-vis sont elle-même reliées pour une alimentation en série, dans le même sens et non plus en opposition.
La bobine secondaire de compensation des champs rémanents (37) est montée sur une structure de thermostabilisation (38) de forme annulaire, entourant la partie centrale du pôle (31). Cette structure annulaire (38) présente un canal annulaire (39) pour la circulation d'un fluide thermostaté.
L'ensemble des bobines est alimenté par un courant impulsionnel d'une puissance de l'ordre de 150 W pour produire un gradient de l'ordre de 2400 gauss par centimètre, avec un facteur de mérite F de l'ordre de 80.000.
La distance inter-pôles est de l'ordre de 4 centimètres. Le diamètre des pôles est de l'ordre de 20 millimètres. Une cellule cylindrique d'un diamètre de 25 millimètres est placée dans cet espace.
La figure 2 représente une variante de réalisation d'une structure de piégeage d'atomes froids.
La structure ferromagnétique est composée de deux anneaux demi-circulaire (50, 51) disposés dans des plans perpendiculaires. Ces deux arceaux (50, 51) sont reliés par des arceaux (52, 53) en quart de cercle dont les extrémités sont couplées respectivement aux extrémités des arceaux demi-circulaires (50, 51). Ces arceaux (52, 53) en quart de cercle sont dans un troisième plan XOY perpendiculaire à l'intersection des deux plans susvisés.
La structure comportant 4 pôles principaux (54 à 57) quadripôles XOY excités par des bobines (58, 59) alimentés par des courants dans le même sens, les bobines (58, 59) entourant les arceaux (52, 53) en quart de cercle.
Les arceaux demi-circulaires (50, 51) sont couplés chacun avec un pôle additionnel (60, 61) s'étendant radialement. Ces pôles (60, 61) sont entourés par une structure thermostabilisatrice. L'excitation principale est fournie par les bobines (66, 67) et (68, 69) réparties sur l'arceau semi-circulaire (50, 51) de part et d'autre du pôle secondaire (60, 61). Elles sont parcourues par des courants contraires.
Les dispositifs selon l'invention permettent de générer un potentiel magnétique très raide, et ajustable.
La figure 4 représente un exemple d'équipement mettant en oeuvre un dispositif selon l'une ou l'autre des variantes de l'invention.
L'équipement comporte un four (100) à recirculation chauffé à environ 140°C pour produire un jet d'atomes 87Rb. Une mélasse optique 2D produite par un faisceau laser transversal produit la collimation du jet et permet de l'orienter dans l'axe d'un tube (101). Ce tube (101) débouche dans une enceinte primaire (102) relié à une pompe à vide (103). La pression P1 régnant dans l'enceinte (102) est d'environ 10-9 millibar. La pompe est une pompe turbo présentant un fort taux de compression (supérieur à 199 pour l'azote). L'enceinte (102) est munie d'une jauge à cathode froide (105) pour la mesure de la pression.
La mélasse est obtenue par des diodes laser de puissance 50 à 100 mW et un laser maítre de 3.5 mW à 780 nm avec une largeur de raie de 1 Mhz.
Une partie de faisceaux lasers contre-propageant désaccordés vers le rouge de la transition atomique produit une force de pression de radiation sur l'atome éclairé.
Un cylindre froid est positionné dans l'enceinte, pour assurer le collage des atomes non collimatés. Il est formé par un bloc métallique percé d'un trou de 10 millimètres de diamètre. Il ne laisse passer que les atomes du jet émis sur l'axe. Ce cylindre est refroidi par un flexiplongeur (106) qui assure une circulation d'éthylène-glycol à -55 °C.
Une vanne (107) permet d'isoler l'enceinte secondaire. Une pompe ionique (108) assure le vide intermédiaire à l'intermédiaire d'un tube de ralentissement (109). Ce tube de ralentissement (109) permet d'isoler thermiquement le four (100) de l'enceinte secondaire (112). L'enceinte secondaire (112) est constituée par une cellule en verre de 1x2 cm reliée à une pompe ionique (113) et à un sublimateur de titane. Les parois sont périodiquement chauffées pour compenser la formation de vapeur du Rubidium.
Le piège électromagnétique (120) selon l'invention est placé à la sortie d'un ralentisseur (118) comportant une bobine électrique (119).
La figure 5 représente la séquence temporelle de l'équipement.
Les différentes étapes d'un cycle de fonctionnement sont synchronisées. Le champ quadripolaire sphérique produit par les pôles principaux est interrompu et le désaccord des faisceaux pièges est augmenté préalablement à la coupure du faisceau dépompeur. Au cours de cette séquence, les faisceaux repompeurs latéraux restent allumés.
La compensation des champs rémanents pour démagnétisation de la structure ferromagnétique permet d'obtenir un refroidissement efficace.
Les applications de tels dispositifs concernent en particulier les horloges atomiques, ainsi que les systèmes de navigation embarquée.

Claims (10)

  1. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids comprenant une structure ferromagnétique présentant 4 pôles disposés dans un même plan XOY excités par des bobines principales fournissant l'excitation principale, et deux pôles additionnels orientés selon un axe Z perpendiculaires au plan desdits quatre pôles, les pôles étant couplés magnétiquement par une ou plusieurs culasses, caractérisé en ce que lesdits pôles additionnels sont constitués par une structure externe et d'une structure interne excités séparément par deux bobines parcourues par des courants contraires.
  2. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pôles additionnels sont formés par un noyau sensiblement cylindrique présentant une extrémité creusée par une cavité annulaire coaxiale à l'intérieure de laquelle est logée la bobine d'excitation intérieure.
  3. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que certains pôles au moins présentant un manchon pourvu d'un canal tubulaire pour la circulation d'un fluide de thermorégulation.
  4. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids selon la revendication 3 caractérisé en ce que certains pôles au moins sont entourés par une bobine de compensation des champs rémanents.
  5. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les culasses sont constituées par deux éléments annulaires de rayon Rint et Rext avec Rext = Rint + E où E désigne l'épaisseur de la culasse, les deux éléments étant emboítables et positionnés dans deux plans perpendiculaires.
  6. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la culasse est constituée un premier élément annulaire s'étendant sur 180° prolongé à chaque extrémité par des seconds éléments annulaires s'étendant sur 90°, dans un plan perpendiculaire au plan du premier élément, chacun desdits seconds éléments annulaires étant couplés à un élément annulaire s'étendant sur 180° dans un plan perpendiculaire aux autres éléments annulaires.
  7. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids selon la revendication précédente caractérisé en ce que les seconds éléments annulaires s'étendant sur 90° sont entourés chacun par une bobine d'excitation des pôles principaux.
  8. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les culasses et les pôles sont constitués en un matériau limitant les courants de Foucault.
  9. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'extrémité de certains pôles au moins présente une forme tronconique.
  10. Dispositif électromagnétique pour la production d'atomes neutres froids selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les pôles présentent en outre des bobines secondaires pour la compensation des champs rémanents.
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