EP1130949B1 - Dispositif électromagnetique pour la production d'atomes froids - Google Patents

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EP1130949B1
EP1130949B1 EP01400460A EP01400460A EP1130949B1 EP 1130949 B1 EP1130949 B1 EP 1130949B1 EP 01400460 A EP01400460 A EP 01400460A EP 01400460 A EP01400460 A EP 01400460A EP 1130949 B1 EP1130949 B1 EP 1130949B1
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poles
electromagnetic device
neutral atoms
producing cold
atoms according
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Philippe Bouyer
Alain Aspect
Michel Lecrivain
Bruno Desruelle
Vincent Boyer
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Direction General pour lArmement DGA
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Direction General pour lArmement DGA
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Classifications

    • 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

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 presenting 4 poles arranged in the same plane XOY excited by main coils (the quadrupole) providing the main excitation, and two additional poles (the dipole) oriented along an axis Z perpendicular to the plane said four poles, the poles being coupled magnetically by one or more cylinder heads.
  • a ferromagnetic structure presenting 4 poles arranged in the same plane XOY excited by main coils (the quadrupole) providing the main excitation, and two additional poles (the dipole) oriented along an axis Z perpendicular to the plane said four poles, the poles being coupled magnetically by one or more cylinder heads.
  • the invention relates in its most general sense to a device having additional poles consisting of a external structure and an internal structure excited separately by two coils traversed by currents otherwise.
  • This device constitutes a trap of Ioffé-Pritchard compensated bias for trapping and / or realization of a coherent source of cold atoms (Bose-Einstein condensates), making it possible to high compression ratio 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 a current adjustment browsing the coils of excitement.
  • the additional poles are formed by a substantially cylindrical core having a end dug by a coaxial annular cavity to inside which is housed the excitation coil interior.
  • certain poles less have a sleeve with a tubular channel for the circulation of a thermoregulation fluid.
  • said sleeve is surrounded by the compensation coil.
  • the cylinder heads are constituted a first annular element extending over 180 ° extended to each end by second annular members 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 ring.
  • the yokes and poles are made of a material ferromagnetic limiting eddy currents, in particular a laminated ferromagnetic material or sintered materials.
  • the breech has a annular lamination perpendicular to the lamination of poles.
  • the end of certain poles at less has a beveled shape.
  • FIG. 1 represents a view of a first variant embodiment.
  • the device consists of two elements of two yokes (1, 2) of toric shape, and by six elements polar (3 to 8) radial.
  • the yokes (1, 2) are formed by winding a strip of ferromagnetic material.
  • the cylinder heads have different radii to allow the interlocking of the breech inside the breech the two cylinder heads (1, 2) with plans medians perpendicular.
  • 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 the 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 outer coil (14 and 16). These two poles (4, 6) further comprise an internal coil (27, 28) traversed by a current in the opposite direction of 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 keeping a high value for C.
  • the device further comprises quadrupole (3, 5, 7, 8) a dipole formed of two poles (4,6) arranged along the axis z, of which FIG. 2 represents a view detailed, in longitudinal section.
  • This dipole has for function the constant field compensation in the center of the trap to produce significant containment, and allowing to obtain pulse rates greater than 0.01 hertz, of the order of the hertz.
  • the poles of the dipole comprise a core (31) laminated have a frustoconical end (30).
  • the core has an axial cavity (32) of annular form in which is housed a coil electric motor (35) surrounding a cylindrical core (31).
  • the main core (31) is surrounded by a first main coil (14, 16) (Fig.1) and a coil of compensation of the residual fields (37).
  • the main coils (36) and the coil (35) are fed in series and in opposition in pulse mode.
  • the coils of one of the poles and the coils of the complementary pole vis-à-vis are itself connected for a series supply, in the same direction and no longer in opposition.
  • the secondary field compensation coil remanent (37) is mounted on a structure of thermostabilisation (38) ring-shaped, surrounding the central part of the pole (31).
  • This annular structure (38) has an annular channel (39) for circulation a thermostatic fluid.
  • the set of coils is powered by a pulse current with a power of about 150 W to produce a gradient of the order of 2400 gauss per centimeter, with a merit factor F of the order of 80,000.
  • the inter-pole distance is of the order of 4 centimeters.
  • the diameter of the poles is of the order of 20 millimeters.
  • a cylindrical cell with a diameter of 25 millimeters is placed in this space.
  • Figure 3 shows a variant of realization of a structure for trapping cold atoms.
  • the ferromagnetic structure is composed of two semi-circular rings (50, 51) arranged in perpendicular planes. These two arches (50, 51) are connected by quadrant hoops (52, 53) whose ends are coupled respectively to the ends of the semicircular arches (50, 51). These arches (52, 53) in quarter circle are in a third XOY plane perpendicular to the intersection of the two above-mentioned planes.
  • the semicircular arches (50, 51) are each coupled with an additional pole (60, 61) extending radially. These poles (60, 61) are surrounded by a thermostabilizing structure.
  • the main excitement is provided by the coils (66, 67) and (68, 69) distributed over the semicircular hoop (50, 51) on both sides of the secondary pole (60, 61). They are covered by contrary currents.
  • the devices according to the invention make it possible to generate a very steep magnetic potential, and adjustable.
  • Figure 4 shows an example of equipment implementing a device according to one or other of the variants of the invention.
  • the equipment comprises a recirculating furnace (100) heated to about 140 ° C to produce an atomic charge 87 Rb.
  • a 2D optical molasses produced by a transverse laser beam produces collimation of the jet and allows it to be oriented in the axis of a tube (101).
  • This tube (101) opens into a primary chamber (102) connected to a vacuum pump (103).
  • the pressure P 1 prevailing in the enclosure (102) is about 10 -9 millibar.
  • the pump is a turbo pump having 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 linewidth of 1 Mhz.
  • a part of laser beams counter-propagating detuned towards the red of the transition atomic produces a force of radiation pressure on the illuminated atom.
  • a cold cylinder is positioned in the enclosure, to ensure the bonding of non-atoms collimated. It is formed by a metal block pierced with a hole of 10 millimeters in diameter. He only lets in the atoms of the jet emitted on the axis. This cylinder is cooled by a flexiplunner (106) which ensures circulation ethylene glycol at -55 ° C.
  • a valve (107) isolates the enclosure secondary.
  • An ion pump (108) provides the vacuum intermediate through a slowing tube (109). This slowing tube (109) isolates thermally the oven (100) of the secondary enclosure (112).
  • the secondary enclosure (112) consists of a cell in 1x2 cm glass connected to an ion pump (113) and a titanium enhancer. The walls are periodically heated to compensate for the formation of steam Rubidium.
  • the electromagnetic trap (120) according to the invention is placed at the exit of a retarder (118) having an electric coil (119).
  • Figure 5 shows the time sequence equipment.
  • the different stages of a cycle of operation are synchronized.
  • the quadrupole field spherical produced by the main poles is interrupted and the clash of trap beams is increased prior to the cutoff of the splintering beam.
  • the lateral repeater beams stay on.
  • the compensation of the residual fields for demagnetization of the ferromagnetic structure allows to obtain efficient cooling.

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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 : B z = 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 3 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 (3, 5, 7, 8) disposés dans un même plan XOY excités par des bobines principales (13, 15, 17, 18) fournissant l'excitation principale, et deux pôles additionnels (4, 6) orientés selon un axe Z perpendiculaires au plan desdits quatre pôles, les pôles étant couplés magnétiquement par une ou plusieurs culasses (1, 2), caractérisé en ce que chacun desdits pôles additionnels (4, 6) est constitué par une structure externe et d'une structure interne excités séparément par deux bobines (35, 37) 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 d'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.
EP01400460A 2000-03-02 2001-02-22 Dispositif électromagnetique pour la production d'atomes froids Expired - Lifetime EP1130949B1 (fr)

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