EP3803907A1 - Système de refroidissement pour capteur à atomes froids et procédé de refroidissement associé - Google Patents

Système de refroidissement pour capteur à atomes froids et procédé de refroidissement associé

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Publication number
EP3803907A1
EP3803907A1 EP19727423.6A EP19727423A EP3803907A1 EP 3803907 A1 EP3803907 A1 EP 3803907A1 EP 19727423 A EP19727423 A EP 19727423A EP 3803907 A1 EP3803907 A1 EP 3803907A1
Authority
EP
European Patent Office
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chamber
atoms
cooling
frequency
atomic
Prior art date
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Application number
EP19727423.6A
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German (de)
English (en)
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EP3803907B1 (fr
Inventor
Matthieu DUPONT-NIVET
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP3803907A1 publication Critical patent/EP3803907A1/fr
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Publication of EP3803907B1 publication Critical patent/EP3803907B1/fr
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/30—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating for confining neutral particles or handling confined neutral particles, e.g. atom traps

Definitions

  • the invention lies in the field of cold atomic sensors. More particularly, the invention relates to laser cooling systems for the implementation of such sensors (100 mK class).
  • the cold atomic sensors have already shown excellent performances for the measurement of time (clock) and gravitational fields (gravimeter), accelerations (accelerometer) and rotations (gyrometer). Their operating principle is recalled below.
  • a cold atomic sensor requires obtaining a cloud of cold atoms, that is to say atoms that have been slowed down along the three directions of space, in a vacuum chamber. .
  • a generation of cold atomic sensors uses an atomic chip (atomic chip) circuit to guide the path of the cloud (s) of cold atoms and to perform the measurement.
  • atomic chip atomic chip
  • the optical pumping phase is important so that all the atoms are on the same FO Zeeman Z0 sub-level that can be trapped by the atomic circuit.
  • the atoms being positioned on the desired Zeeman Z0 sub-level are transferred or "charged” by lighting an elevator. magnetic. Once the cloud in the vicinity of the chip, the elevator is turned off and the "hottest" atoms are removed, for example by radiofrequency evaporation (second cooling), the remaining atoms then being said to be ultra-cold (class 100 nK).
  • a measurement is then made using the microcircuits present on the chip (clock, speed, acceleration, rotation) of transferring a phase accumulated by the atomic wave function during the measurement into a difference in populations between two sub-levels.
  • Zeeman A reading of the measurement is performed by counting the number of atoms in the different Zeeman sub-levels in play during the previous measurement. This reading is performed using a detection laser illuminating the cloud of ultra-cold atoms. This is the detection phase.
  • the existing solutions for cooling atoms combine a two-dimensional magneto-optical trap as described in FIG. 1 and a three-dimensional optical magnetic trap as described in FIG. 2.
  • the combination is described for example in the reference: D. Farkas, K. Hudek, E. Salim, S. Segal, M. Squires and D. Anderson, "A compact, transportable, microchip-based System for high-frequency repeat production of Bose-Einstein condensates ", Appl. Phys. Lett., 96 (2010).
  • Figure 1 illustrates the magneto optical trap for making the trap 2 dimensions or MOT 2D (English abbreviation for Magneto-Optical-Trap).
  • MOT 2D trap is meant to slow the atoms by canceling their speed in a given plane, in Figure 1 the given plane is the XY plane perpendicular to Z.
  • the AC2D cloud consists of atoms slowed down in the XY plane (their temperature in this plane is in the 100 mK class) but not along the Z axis (temperature in this direction corresponding to the ambient temperature).
  • the AC2D cloud is then directed through an orifice in a second chamber in which it is simultaneously illuminated by 6 laser beams in 3 different directions (2 contra-propagative beams per direction), two in the plane of the sheet and one in a direction perpendicular to the sheet) commonly called 3D WORD X1, 3D WORD X2 and 3D WORD H, as illustrated in FIG. 2.
  • 3D WORD X1, 3D WORD X2 and 3D WORD H 3D WORD X1, 3D WORD X2 and 3D WORD H, as illustrated in FIG. 2.
  • a system of coils identical to that of FIG. not shown) is also necessary to apply a magnetic field similar to that applied in the first enclosure.
  • the atomic cloud In the volume illuminated by the intersection of the 6 beams is formed the atomic cloud slowed along the three directions AC3D. Typically a temperature in the 100 mK class is obtained in all three directions.
  • An atomic circuit Atc is arranged in the second chamber, to perform the measurements, once the AC3D cloud "loaded” on the circuit.
  • a first magnetic field having a specific spatial configuration zero at the center of the magneto optical trap and increasing with the distance from the center
  • This first field is typically generated, for: the first enclosure, by four IC coils or four permanent magnets (see FIG. 1 and the aforementioned publication Farkas 2010),
  • a second magnetic field (homogeneous, approximately 2 Gauss) applied only in the second enclosure is typically generated by two AHC coils in anti-Helmholtz configuration.
  • FIG. 3 illustrates the main atomic levels of interest of rubidium 87.
  • the magnitude F is defined as the atomic angular momentum.
  • FIG. 4 illustrates the frequencies required during the three phases mentioned above (cooling, pumping, detection).
  • a three-dimensional magneto-optical trap is made.
  • a polarization of the laser L1 of type s + OR s (circular right or left) is necessary.
  • the 12 laser beams of the two traps MOT 2D and MOT 3D simultaneously illuminate the two enclosures, and each beam contains the two frequencies f R androi d and f R e p om p from the two lasers L1 and L2 .
  • the first magnetic field described above is also simultaneously applied to the two speakers.
  • the Zeeman sub-levels are characterized by the value of the magnitude m F corresponding to the projection of the atomic angular momentum F on the quantization axis.
  • a sub-level Zeeman is thus described by the value of F and the value of m F according to the formalism
  • the predetermined sub-level Z0 is the level
  • a homogeneous magnetic field is applied in the enclosure containing MOT 3D, to remove the degeneracy of the different Zeeman sub-levels, ie to give each Zeeman sub-level a different energy that makes it possible to discriminate them.
  • the L1 laser here polarized s + (right circular), is reused as a laser for pumping (it then illuminates the atomic cloud in a different direction than during cooling), it must be at a frequency f p0 mp below one determined transition of a magnitude e2 of about 160 to 260 MHz.
  • the laser L1 is used here as a detection laser with a frequency f det adjusted on an atomic resonance.
  • the lasers L1 and L2 can be used sequentially or simultaneously.
  • cooling systems for cold atom sensor according to the state of the art capable of providing a number of cold atoms in the range 100 mK are expensive, complex to achieve and implement.
  • An object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks by proposing a simplified cooling system using a cooling principle in isotropic light. DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the subject of the present invention is a cooling system for a cold-atom sensor comprising:
  • 2D chamber a two-dimensional cooling chamber, called 2D chamber, kept under ultra-high vacuum and arranged at least partially inside an integrating cylinder having a Z axis, said integrating cylinder being configured to illuminate the 2D chamber by a first isotropic light said 2D chamber comprising atoms to be cooled,
  • a three-dimensional cooling chamber called a 3D chamber, maintained under ultra-vacuum and connected to the 2D chamber by an opening (Op) configured to allow the passage of said atoms from the 2D chamber to the 3D chamber by displacement substantially according to Z axis, said 3D chamber being disposed at least partially within an integrating sphere, said integrating sphere being configured to illuminate the 3D chamber by a second isotropic light.
  • the 2D chamber is further configured to be illuminated, via a porthole, by a laser beam along the Z axis.
  • the first and second isotropic light respectively come from a first and a second set of optical fibers respectively connected to the integrating cylinder and to the integrating sphere via associated inputs.
  • the first set consists of four multimode optical fibers, the four associated inputs being disposed in the same plane perpendicular to the Z axis and passing through the middle of the height of said cylinder, and being spaced 90 °.
  • the second set consists of four multimode optical fibers, the four associated inputs being arranged so that two of them are diametrically opposed and located on a straight line passing through the center of the sphere, the two other inputs being located in a plane perpendicular to said line and containing the center of the sphere.
  • the integrating sphere further has two openings for the passage of a detection beam.
  • the optical fibers are configured so that an optical field inside the sphere has fine-grain scabs.
  • the inner surface of said integrating cylinder and the inner surface of the integrating sphere are each a mirror with high reflectivity or perfectly diffusing.
  • the cooling system according to the invention further comprises a device for generating a uniform magnetic field in the 3D chamber, and a device for generating a microwave wave propagating in the 3D chamber, said wave microwave having a plurality of frequencies.
  • the invention relates to a cold atomic circuit sensor comprising a source of atoms, a cooling system according to the invention and an atomic circuit arranged inside the 3D chamber or constituting at least partially one of the walls of said 3D chamber.
  • the atomic circuit constitutes at least partially a wall of the 3D chamber and is transparent, the non-vacuum face being coated with a diffusing or reflecting layer.
  • the invention relates to a method for cooling atoms for a cold atomic sensor with an atomic circuit, said sensor comprising:
  • a two-dimensional cooling chamber called a 2D chamber, kept under ultrahigh vacuum and comprising atoms to be cooled, said 2D chamber being disposed at least partially inside an integrating cylinder having a Z axis, said integrating cylinder being configured to illuminate the 2D chamber by a first isotropic light,
  • 3D chamber a three-dimensional cooling chamber, called 3D chamber, kept under ultra-vacuum and connected to the 2D chamber by an opening configured to allow passage of said atoms from the 2D chamber to the 3D chamber by substantially Z-axis displacement, said 3D chamber being disposed at least partially within an integrating sphere configured to illuminate the 3D chamber by a second isotropic light,
  • said atoms to be cooled having a first and a second fundamental level, said levels being hyperfine
  • a first phase of cooling implemented during a first lapse of time consisting in cooling the atoms and putting them in one of the two hyperfine fundamental states called FO, comprising a step of illumination of the 2D chamber and the 3D chamber by respectively the first and the second isotropic light, said isotropic lights having a cooling frequency and a repolishing frequency,
  • a second phase of optical pumping implemented after having switched off the isotropic lights for a second period of time, said second phase being implemented during a third period of time and intended to put the atoms in a determined Zeeman sub-level; of the ground state, said second phase comprising the steps, implemented simultaneously in the 3D chamber, consisting of:
  • each frequency corresponding to a resonant frequency of a transition between a Zeeman sub-level of the first fundamental level and a Zeeman sub-level of the second fundamental level.
  • the 2D chamber is also illuminated with a laser beam along the axis Z of the cylinder, exhibiting the cooling frequency and the repolishing frequency.
  • the invention relates to a measurement method realized by a cold atom sensor comprising an atomic circuit disposed inside the 3D chamber or constituting one of the walls of said 3D chamber, the method comprising:
  • a detection step carried out using a detection laser beam which illuminates said 3D atoms located near the atomic circuit.
  • FIG. 1 illustrates the magneto-optical trap for making the 2-dimensional trap known as MOT 2D according to the state of the art.
  • FIG. 2 already mentioned, illustrates the magneto-optical trap for making the 3-dimensional trap called MOT 3D according to the state of the art.
  • Figure 3 already mentioned, illustrates the main atomic levels of interest of rubidium 87.
  • FIG. 4 already mentioned, illustrates the necessary frequencies during the three phases, cooling, pumping and detection necessary for the implementation of a cold atom sensor according to the state of the art.
  • FIG. 6 illustrates a cooling system for a cold-atom sensor according to the invention.
  • Figure 7 illustrates an embodiment of illumination of the 2D chamber by the cylinder integrating via four optical fibers.
  • Figure 8 illustrates an example of a distribution of the four optical fiber inputs in the integrating sphere.
  • FIG. 9 illustrates a cold atomic sensor with an atomic circuit according to the invention.
  • FIG. 10 illustrates an atom cooling process for a cold atomic atomic circuit sensor according to the invention.
  • FIG. 11 describes the mechanism of the second phase of optical pumping of the method according to the invention, for the case of rubidium 87.
  • FIG. 12 illustrates a measurement method performed by a cold atom sensor according to the invention.
  • the cooling system 10 for a cold atom sensor according to the invention is illustrated in FIG.
  • isotropic cooling Isotropie Light Cooling in English
  • TG Aardena et al Tranverse scattering in Isotropy Light Slowing” Physical Review Letters Vol 76, No. 5, 1996.
  • a pre-collimated beam of atoms is cooled in two directions.
  • This principle is based on the pulse exchange between the photons absorbed and emitted by the atom to be cooled. Let a atom of speed v, the atom to be cooled absorbs photons whose pulse is on the surface of a cone of angle Q such that:
  • the cooling system 10 comprises two cooling chambers, a 2D chamber and a 3D chamber, and is based on the combination of a cylinder and an integrating sphere as described below.
  • a two-dimensional cooling chamber Ch2D or 2D chamber is maintained under ultra-high vacuum using a not shown pump system connected to the duct 5.
  • the 2D chamber is disposed at least partially inside a cylinder integrating IC having a symmetry of revolution along a Z axis.
  • atoms 13 to cool In the 2D chamber there are atoms 13 to cool. These atoms are preferably rubidium-87 but may also be rubidium-85, cesium, sodium or potassium-40 atoms.
  • these atoms come from a source disposed inside the 2D chamber such as a filament (not shown).
  • these atoms come from an additional chamber connected to the 2D chamber.
  • the 2D chamber is used to "charge" the 3D chamber with pre-cooled atoms.
  • the integrating cylinder is configured to illuminate the 2D chamber with a first isotropic light IL1.
  • the first isotropic light IL1 has two frequencies defined in the state of the art, the cooling frequency f Retroid and the repolishing frequency f Rep0mp (see method below).
  • the inner surface 12 of the cylinder IC is constituted either of a high reflectivity mirror, for example copper with an optical polish, or a perfectly diffusing material, for example spectral TM.
  • the objective is to illuminate the 2D chamber with, in an XY plane, light rays arriving equivalently from all directions and to have symmetry by translation along the Z axis of the light field.
  • the 2D chamber Ch2D is also of cylindrical shape and its walls are made of glass, transparent for the operating wavelength, around 780 nm for rubidium 87.
  • the isotropic light illuminating the atoms 13 makes it possible to cool the atoms 13 contained in Ch2D in a plane YX perpendicular to Z and perpendicular to the plane of FIG. 6 (see the section on the cooling process below).
  • the 2D chamber combined with the cylinder incorporating IC is configured to produce a 2-dimensional optical trap OT2D for atoms 13 present in the 2D chamber.
  • the atoms thus cooled form an AC2D cloud of wired form along Z located in the center of the cylinder.
  • the cloud AC2D then passes into the 3D chamber Ch3D through an opening Op which connects Ch2D and Ch3D and allows the passage of the atoms of the cloud AC2D from the 2D chamber to the 3D chamber by displacement substantially along the Z axis.
  • the opening Op is typically of the order of a millimeter in diameter and of the order of a few millimeters in depth.
  • this hole of passage of the atoms between the two chambers is made in a planar piece 3 OFHC copper whose surface has an optical polish. This allows, in addition to the already mentioned two-dimensional cooling, to pre-cool the atoms in the vertical direction. This increases the number of cooled atoms in the Ch3D three-dimensional cooling chamber.
  • the 2D chamber is further configured to be illuminated, via a window 14 by a pusher laser beam Fp direction along the axis of the cylinder Z, as shown in Figure 6.
  • a pusher laser beam Fp direction along the axis of the cylinder Z, as shown in Figure 6.
  • the cooling system according to the invention also comprises a three-dimensional cooling chamber Ch3D denominated 3D chamber connected to the 2D chamber through an opening Op.
  • Op aperture is configured to allow the passage of the atoms 13 of the 2D chamber to the 3D chamber by displacement substantially along the Z axis, as shown in FIG. 6.
  • the chamber Ch3D is kept under ultra-high vacuum by a pump system, not shown, connected via the duct 6.
  • the 3D chamber is disposed at least partially within an integrating sphere IS which is configured to illuminate the 3D chamber by a second isotropic light IL2.
  • the two-dimensional cooling serves to charge the three-dimensional cooling chamber with pre-cooled atoms.
  • Three-dimensional cooling is used to cool a large number of atoms by laser (10 9 atoms to 100 mK in 100 ms, for example).
  • the 3D chamber combined with the integrating sphere IS is configured to make a three-dimensional optical trap of the atoms 13 from the 2D chamber. Once cooled in three dimensions, the atoms form an AC3D cloud illustrated in FIG. 6. This cloud is then used to make a measurement of clock, acceleration, speed, rotation (see process below).
  • the 3D Ch3D chamber is of parallelepipedal shape, and its walls are made of glass, transparent for the operating wavelength, around 780 nm for rubidium 87.
  • the surface 24 of the integrating sphere IS is subject to the same specifications as that of the cylinder incorporating IC.
  • Cooling is effected by illumination of the chambers by IL1 and IL2 according to a method described below.
  • Ch2D and Ch3D are illuminated by a light (respectively IL1 and IL2) having two frequencies f Retroid and f Repomp defined above.
  • the 3D chamber is illuminated with a single optical frequency f Repomp.
  • the cooling method is different from the method according to the state of the art.
  • the frequencies F Retroid and f Repomp come from two lasers L1 and L2.
  • the frequencies F Retroid and f Repomp come from two lasers L1 and L2.
  • the reflected (respectively diffuse) light beams which illuminate Ch2D and Ch3D are not not polarized, unlike the beams used in the state of the art to be polarized.
  • the illumination system of the 2D and 3D chambers according to the invention made with the integrating cylinder and the integrating sphere is greatly simplified with respect to the optical system of the state of the art.
  • the polarization of the light that illuminates the Ch2D and Ch3D chambers no longer needs to be controlled.
  • the first magnetic field having a specific spatial variation such that used conventionally is no longer necessary.
  • the first isotropic light IL1 and the second isotropic light IL2 respectively come from a first and a second set of optical fibers respectively connected to the integrating cylinder and to the integrating sphere via associated inputs.
  • Optical fibers OF1 for IC and OF2 for IS are shown in FIG. 6.
  • the optical fibers are connected at the other end to both L1 and L2 to convey the light from the lasers into the cylinder and the sphere.
  • the routing of the light via optical fibers is made possible because there is no constraint on the polarization of the light illuminating the chambers and the shape of the beams illuminating the first chamber Ch2D and the second chamber Ch3D.
  • the first set consists of four OF1 multimode optical fibers whose four associated inputs are arranged so that the inside of the cylinder is illuminated uniformly.
  • FIG. 7 illustrates an embodiment of illumination of Ch2D by the cylinder integrating IC via four optical fibers in which the four associated inputs 11 are arranged in the same plane P1 perpendicular to the Z axis and passing through the middle of the height. h of said cylinder.
  • the four inputs 1 1 are preferably spaced 90 °.
  • Figure 7a illustrates a side view of the cylinder IC while Figure 7b shows a sectional view along the plane P1 as defined above.
  • This configuration makes it possible to have a light field whose photon pulse distribution is the most isotropic possible in an XY plane and has a relatively good symmetry in translation along the vertical axis of the cylinder.
  • This pulse distribution follows the distribution of light rays in the cylinder described above.
  • the cooling system according to the invention comprises at the level of Ch2D, four permanent magnets disposed outside the IC cylinder to create a first magnetic field as described according to the state of the art. This field makes it possible, if necessary to increase the collimation of the AC2D atom beam. However, it is not necessary for the implementation of the cooling system.
  • the second set consists of four OF2 multimode optical fibers, the four associated inputs being arranged so that the interior of the sphere is illuminated uniformly.
  • FIG. 8 illustrates an example of a distribution of the four associated inputs 21 in which two of them (not shown) are diametrically opposed and located on a straight line passing through the center of the sphere, the other two inputs (illustrated in FIG. located in a plane perpendicular to said straight line and containing the center of the sphere.
  • a cold atomic atomic atomic atomic sensor Atc it is arranged in Ch3D.
  • the fibers passing through the inputs 21 point to the center of the atomic chip Atc. This configuration allows the maximum intensity of the laser field to be close to the atomic chip while maintaining an isotropic distribution of the photon pulse of the laser field.
  • the integrating sphere IS furthermore has two openings 22 illustrated in FIG. 8 allowing the passage of a detection beam Fdet.
  • This beam illuminates the AC3D cloud that has been approached by the Atc circuit (by a magnetic elevator, not shown) to detect the atoms by absorption or fluorescence (counting the number of atoms in different states to finalize the measurement).
  • the optical fibers OF2 are configured so that the optical field inside the sphere has scabs (or "speckle" in English) of fine grain.
  • Fine scab is defined as scab, the typical size of which is a few times the wavelength of the light used for cooling.
  • the sphere IS has openings 23, one of which is illustrated in FIG. 8 allowing the passage of the electrical connections of the atomic chip as well as the magnetic elevator. All the cables passing through these openings are covered either with a high reflectivity material or a diffusing material and the openings are just enough sizes for the passage of cables. This is done to avoid that photons are absorbed in the sphere or out of the sphere and therefore no longer contribute to the cooling process.
  • two unrepresented coils make it possible to generate a magnetic field geometry identical to that used for the cooling phase of AC3D in the state of the art.
  • This magnetic field makes it possible, if necessary, to increase the density in the space of the phases of the cloud of atoms.
  • the cooling method with the cooling system according to the invention has specific features. To be implemented, it requires the application of a homogeneous magnetic field in Ch3D and of a microwave wave with several frequencies.
  • the cooling system according to the invention further comprises a device for generating in the 3D chamber a uniform magnetic field, and a device for generating, also in the 3D chamber, a microwave wave exhibiting a plurality of frequencies.
  • the device for generating the homogeneous magnetic field comprises two coils 92 used in the Helmholtz configuration disposed outside the integrating sphere IS (see further on FIG. 9).
  • the device for generating the microwave wave comprises an antenna disposed inside the 3D chamber.
  • the device for generating the microwave wave comprises a planar microwave guide 91 disposed on the atomic chip Atc (see Figure 9 below).
  • the invention relates to a cold atomic circuit sensor 50 illustrated in FIG. 9 comprising a source of atoms S, a cooling system 10 according to the invention as described above and an atomic circuit Atc, for example in SiC (silicon carbide) or AlN (aluminum nitride).
  • the source of atoms S is disposed inside Ch2D, as illustrated in FIG. 9.
  • the atoms are injected into Ch2D from a source located in an additional chamber connected to the chamber. 2D for example via the conduit 5.
  • the circuit Atc at least partially one of the walls of said 3D chamber.
  • the circuit Atc is arranged inside the 3D chamber.
  • the circuit Atc is transparent, and the face not being on the side of AC3D (face which is not in the vacuum for the first option) is coated with a layer configured to diffuse the light, such as spectral TM or a reflective layer such as gold. This improves the isotropic distribution of the photon pulse of the cooling optical field.
  • the invention relates to a method 90 for cooling atoms for a cold atomic sensor with an atomic circuit, as illustrated in FIG.
  • the sensor comprises a two-dimensional cooling chamber Ch2D comprising atoms 13 to be cooled disposed at least partially inside an integrating cylinder having a Z axis, the cylinder incorporating IC being configured to illuminate the 2D chamber by a first light isotropic IL1.
  • the sensor also comprises a three-dimensional cooling chamber Ch3D connected to the chamber 2D by an opening Op configured to allow the passage of atoms of the 2D chamber to the 3D chamber by displacement substantially along the axis Z.
  • the 3D chamber is disposed at least partially within an integrating sphere IS configured to illuminate the 3D chamber by a second isotropic light IL2.
  • the atoms 13 to be cooled have a first and a second fundamental level, said levels being hyperfine (see definition above).
  • the method according to the invention comprises a first cooling phase and a second optical pumping phase, but these phases have specificities due to cooling by isotropic light.
  • the first cooling phase 100 implemented during a first period of time T 1, consists in cooling the atoms and putting them in one of the two hyperfine fundamental states, which we will call FO.
  • T 1 is of the order of 100 ms.
  • This first phase comprises a step 101 for illuminating the 2D chamber and the 3D chamber by respectively the first isotropic light IL1 and the second isotropic light IL2, these isotropic lights having a cooling frequency f Retroid and a repolishing frequency f Rep0mP ⁇ No specific polarization of the beams is necessary.
  • This phase is typically implemented by switching on the L1 cooling laser and the L2 repulping laser which, via optical fibers for example, illuminate the IC cylinder and the IS sphere.
  • the 2D chamber is also illuminated with a laser beam Fp called "pusher" along the axis Z of the cylinder, also having the cooling frequency f Cool and the repolishing frequency f Rep0mP (step 102 on the Figure 10).
  • this beam is derived from the combination of a beam from L1 and a beam from L2. It is therefore lit at the same time as IL1 and IL2. Then the lights (IL1, IL2, Fp if applicable) are turned off for a second time T2, typically by turning off the lasers.
  • T2 corresponds to 100 ps.
  • the method according to the invention therefore comprises a second optical pumping phase 200, implemented after switching off the isotropic lights during the second period of time T2.
  • This second phase being implemented during a third time period T3 and is intended to put the atoms in a determined Zeeman sub-level Z0 of the ground state F0.
  • the time T3 is of the order of a millisecond.
  • the second phase comprises the following steps, implemented simultaneously in the 3D chamber.
  • a homogeneous magnetic field is applied, which has the same characteristics as the second magnetic field described in the state of the prior art.
  • the integrating sphere IS is also illuminated (step 202 in FIG. 10) with the second isotropic light IL2 having only the repolishing frequency f Rep0mp ⁇
  • the repeater laser L2 is lit, the cooling laser L1 being extinguished.
  • Each frequency of the microwave field corresponds to a resonant frequency of a transition between a Zeeman sub-level of the first fundamental level and a Zeeman sub-level of the second fundamental level, so as to prevent the atoms from accumulating in the sub-levels.
  • Zeeman levels other than the specified Zeeman sub-level Z0.
  • the first frequency f1 corresponds to the frequency of the transition
  • the second frequency f2 corresponds to the frequency of the transition
  • the third frequency f3 corresponds to the frequency of the transition
  • the fourth frequency f4 corresponds to the frequency of the transition
  • the invention in the method according to the invention for charging the magnetic trap, an optical pumping combining four microwave fields and a laser field whose polarization is random is used.
  • the invention relates to a measurement method 190 illustrated in FIG. 12 realized by a cold atom sensor comprising an atomic circuit Atc disposed inside the 3D chamber or constituting one of the walls of said 3D chamber.
  • the method comprises a first cooling step carried out by the cooling method 90 according to the invention, then a step 93 for transferring atoms near the atomic circuit with a magnetic elevator, and then a step 94 for trapping said atoms on the atomic circuit to cool them again (second cooling).
  • the two-dimensional cooling serves to charge the three-dimensional cooling chamber Ch3D with pre-cooled atoms.
  • the three-dimensional cooling is used to cool a large number of atoms (10 9 atoms to 100 mK in 100 ms) by laser which are then transferred to the Zeeman Z0 sub-level (step 200). Then we turn on a magnetic elevator to transfer the atoms (step 93) to the magnetic trap created by the atomic chip Atc in the vicinity thereof (step 94). Then in a step 96 a measurement is performed by microcircuits present on the atomic circuit AtC. For example to make a rotation measurement the atoms are put in a coherent superposition of two Zeeman sub-levels (denoted
  • b> are moved in opposite directions.
  • the atoms in the vicinity of the chip populate different Zeeman sub-levels according to a distribution function of the parameter that one wishes to measure.
  • a detection step 98 is performed and consists in counting the number of respective atoms in the different Zeeman sub-levels in play during the previous measurement. This detection is carried out using a Fdet detection laser beam, which illuminates the 3D atoms located near the atomic circuit. The detection is effected by fluorescence or absorption.

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Abstract

L'invention concerne un système de refroidissement (10) pour capteur à atomes froids comprenant : - une chambre de refroidissement à deux dimensions, dénommée chambre 2D (Ch2D), maintenue sous ultravide et disposée au moins partiellement à l'intérieur d'un cylindre intégrant (IC) présentant un axe Z, ledit cylindre intégrant étant configuré pour illuminer la chambre 2D par une première lumière isotrope (IL1), ladite chambre 2D comprenant des atomes (13) à refroidir, - une chambre de refroidissement à trois dimensions, dénommée chambre 3D (Ch3D), maintenue sous ultra vide et reliée à la chambre 2D par une ouverture (Op) configurée pour permettre le passage desdits atomes (13) de la chambre 2D vers la chambre 3D par déplacement sensiblement selon l'axe Z, ladite chambre 3D étant disposée au moins partiellement à l'intérieur d'une sphère intégrante (IS), ladite sphère intégrante étant configurée pour illuminer la chambre 3D par une deuxième lumière isotrope (IL2).

Description

Système de refroidissement pour capteur à atomes froids et procédé de refroidissement associé
DOMAINE DE L’INVENTION
L’invention se situe dans le domaine des capteurs à atomes froids. Plus particulièrement l’invention concerne les systèmes de refroidissement d’atomes par laser permettant la mise en œuvre de tels capteurs (classe 100 mK).
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les capteurs à atomes froids ont déjà montré d’excellentes performances pour la mesure du temps (horloge) et des champs de gravitation (gravimètre), des accélérations (accéléromètre) et des rotations (gyromètre). Leur principe de fonctionnement est rappelé ci-dessous.
Pour réaliser la mesure, un capteur à atomes froids nécessite l’obtention d’un nuage d’atomes froids, c'est-à-dire des atomes qui ont été ralentis selon les trois directions de l’espace, dans une enceinte à vide. Nous dénommerons ce nuage d’atomes refroidis dans les 3 dimensions AC3D (température typique dans la classe 100 mK).
Les atomes utilisés dans les capteurs à atomes froids sont tels qu’ils présentent deux niveaux atomiques fondamentaux dit « hyperfins », c'est-à- dire séparés en fréquence d’une grandeur 5f0 de l’ordre du gigahertz avec 5f0= w0 / 2tt, qui est très stable et très bien connue.
Ces atomes sont typiquement du rubidium 87, pour lequel 5f0=6,834 GHz, mais d’autres atomes alcalins tels que le rubidium 85 (5f0 = 3.0 GHz) le césium (5f0 = 9.2 GHz), le sodium (5f0 = 1.7 GHz) ou le potassium 40 (5f0 = 1.3 GHz) présentent le même type de structure atomique et peuvent être utilisés. Pour la mise en œuvre du capteur, on distingue la préparation des atomes, consistant à réaliser le nuage AC3D précité, et la mesure (horloge, vitesse, accélération, rotation) proprement dite à partir de AC3D. Pour préparer les atomes afin qu’ils puissent être utilisés pour la mesure, on distingue :
-une phase de refroidissement à l’issue de laquelle le nuage AC3D est constitué, avec des atomes qui peuplent un des deux niveaux fondamentaux hyperfins, que nous dénommerons FO, et
-une phase de pompage à l’issue de laquelle tous les atomes de AC3D sont sur un sous-niveau Zeeman déterminé, que nous dénommerons Z0, du niveau FO.
Classiquement ces phases sont mises en œuvre avec de la lumière laser et des champs magnétiques (voir plus loin).
Une génération de capteurs à atomes froids utilise un circuit atomique (« atomic chip » en anglais) ou puce atomique, pour guider le trajet du/des nuage/s d’atomes froids et réaliser la mesure. Pour ce type de capteur, la phase de pompage optique est importante pour que tous les atomes soient sur le même sous-niveau Zeeman Z0 de FO pouvant être piégé par le circuit atomique.
Une fois le nuage d’atomes froids AC3D constitué (température typique dans la classe 100 mK), les atomes étant positionnés sur le sous-niveau Zeeman Z0 souhaité, on transfère ou « charge » les atomes au voisinage du circuit atomique en allumant un ascenseur magnétique. Une fois le nuage au voisinage de la puce, on éteint l’ascenseur et on enlève les atomes les plus « chauds » par exemple par évaporation radiofréquence (second refroidissement), les atomes restants étant alors dits ultra froids (classe 100 nK).
Une mesure est alors réalisée à l’aide des microcircuits présents sur la puce (horloge, vitesse, accélération, rotation) consistant à transférer une phase accumulée par la fonction d’onde atomique pendant la mesure en une différence de populations entre deux sous-niveaux Zeeman. Une lecture de la mesure s’effectue par comptage du nombre d’atomes dans les différents sous-niveaux Zeeman en jeu lors de la mesure précédente. Cette lecture est réalisée en utilisant un laser de détection illuminant le nuage d’atomes ultra froids. C’est la phase de détection.
Pour la mise en œuvre des capteurs à circuit atomique, il faut disposer d’une quantité suffisante d’atomes ultra froids (classe 100 nK). Pour refroidir efficacement des atomes de la classe 100 mK (refroidissement laser) à la classe 100 nK, il est nécessaire de disposer d’un grand nombre d’atomes froids (classe 100 mK), typiquement 109 atomes.
Les solutions existantes pour réaliser le refroidissement d’atomes (classe 100 mK) combinent un piège magnéto-optique à deux dimensions tel que décrit sur la figure 1 et un piège magnétique optique à trois dimensions tel que décrit sur la figure 2. La combinaison est décrite par exemple dans la référence : D. Farkas, K. Hudek, E. Salim, S. Segal, M. Squires and D. Anderson, « A compact, transportable, microchip-based System for high répétition rate production of Bose-Einstein condensâtes », Appl. Phys. Lett., 96 (2010).
La figure 1 illustre le piège magnéto optique permettant de réaliser le piège à 2 dimensions ou MOT 2D (MOT abréviation anglaise pour Magneto-Optical- Trap). Par piège 2D on entend le fait de ralentir les atomes en annulant leur vitesse dans un plan donné, sur la figure 1 le plan donné est le plan XY perpendiculaire à Z.
Pour le MOT 2D on a besoin de 6 faisceaux lasers MOT-B illuminant simultanément selon 6 directions différentes une première enceinte et de champs magnétiques réalisés par exemple par 4 bobines IC (et éventuellement 2 bobines en configuration Anti-Helmholtz AHC). Le nuage AC2D est constitué d’atomes ralentis dans le plan XY (leur température dans ce plan est dans la classe 100 mK) mais pas selon l’axe Z (température selon cette direction correspondant à la température ambiante).
La nuage AC2D est alors dirigé au travers d’un orifice dans une deuxième enceinte dans laquelle il est illuminé simultanément par 6 faisceaux laser selon 3 directions différentes (2 faisceaux contra propagatifs par direction), deux dans le plan de la feuille et une selon une direction perpendiculaire à la feuille) couramment dénommées MOT 3D X1 , MOT 3D X2 et MOT 3D H, tel qu’illustré figure 2. Un système de bobines identique à celui de la figure 1 (non représenté) est également nécessaire pour appliquer un champ magnétique similaire à celui appliqué dans la première enceinte.
Dans le volume illuminé par l’intersection des 6 faisceaux est formé le nuage d’atomes ralentis selon les trois directions AC3D. Typiquement on obtient une température dans la classe 100 mK dans les trois directions.
Un circuit atomique Atc est disposé dans la deuxième enceinte, pour réaliser les mesures, une fois le nuage AC3D « chargé » sur le circuit.
L’intérêt d’un système à 2 étapes est que MOT 2D alimente MOT 3D avec une grande quantité d’atomes pré refroidis, ce qui permet à MOT 3D de refroidir un nombre important d’atomes tout en gardant un vide poussé (environ 10 10 mbar) dans son enceinte. Si on alimentait directement MOT 3D en atome chauds, cette alimentation augmenterait la pression dans l’enceinte contenant MOT 3D empêchant la réalisation de la mesure faite par le circuit atomique. Un refroidissement tel qu’illustré figures 1 et 2 fonctionne mais présente l’inconvénient d’être très complexe à mettre en oeuvre. En effet, sont nécessaires :
- 12 faisceaux lasers (6 pour le piège magnétique à deux dimensions et 6 pour le piège magnéto optique à trois dimensions), qui doivent être contrôlés en fréquence, en polarisation et en puissance. De plus ces faisceaux lasers doivent être collimatés, leurs formes contrôlées et leurs pointés suffisamment stables. Typiquement les deux faisceaux verticaux (selon Z) de la figure 1 et les six faisceaux de la figure 2 ont un diamètre de 25 mm. Les quatre faisceaux restants de la figure 1 font typiquement 25 mm par 50 mm.
-deux champs magnétiques :
*un premier champ magnétique présentant une configuration spatiale spécifique (nul au centre du piège magnéto optique et s’accroissant avec la distance au centre) et appliqué simultanément dans les deux enceintes par deux systèmes associés. Ce premier champ est typiquement généré, pour : -la première enceinte, par quatre bobines IC ou quatre aimants permanents (voir figure 1 et publication précitée Farkas 2010),
-la deuxième enceinte, par deux bobines en configuration Anti- Helmholtz
*un second champ magnétique (homogène, environ 2 Gauss) appliqué uniquement dans la deuxième enceinte est typiquement généré par deux bobines AHC en configuration anti-Helmholtz.
La complexité et le nombre des faisceaux laser et des champs magnétiques nécessaires dans les solutions de l’état de l’art rendent la génération rapide (moins de 100 ms) d’un nombre suffisant d’atomes froids (109 atomes à 100 mK) très complexe à mettre en œuvre et à miniaturiser.
Au niveau du fonctionnement magnéto-optique du système, à titre d’exemple non limitatif, le principe du capteur est décrit pour des atomes de rubidium 87, qui est un atome couramment utilisé. Ce principe est applicable aux autres types d’atomes précités présentant deux niveaux fondamentaux hyperfins. La figure 3 illustre les principaux niveaux atomiques d’intérêt de rubidium 87. Les deux niveaux fondamentaux hyperfins, notés F=1 et F=2 pour le rubidium 87, sont séparés de 5f0=6834±1 MHz. Les niveaux excités F’=0, 1 , 2 ou 3 sont obtenus par excitation optique au voisinage de 780 nm, et séparés les uns des autres de grandeurs comprises entre 50 et 300 MHz. La grandeur F est définie comme le moment angulaire atomique.
La figure 4 illustre les fréquences nécessaires lors des trois phases précitées (refroidissement, pompage, détection). Dans la phase 1 de refroidissement, on réalise un piège magnéto-optique à trois dimensions. Pour cela, on règle un premier laser L1 dit de refroidissement sur une fréquence fRetroid légèrement en dessous d’un niveau excité d’une grandeur e1 , typiquement comprise entre quelques MHz et une centaine de MHz. Les atomes absorbent des photons de L1 et les réémettent à une fréquence légèrement plus élevée (fréquence correspondant à la fréquence de la transition F=2->F’=3), ainsi ils perdent de l’énergie cinétique et se ralentissent. Une polarisation du laser L1 de type s+ OU s (circulaire droite ou gauche) est nécessaire.
Pendant le refroidissement, pour obtenir tous les atomes sur le même niveau fondamental FO, F=2 pour le rubidium 87, on utilise un deuxième laser L2 dit de « repompage » de fréquence fRep0mp qui pompe optiquement les atomes vers le niveau F=2. Le choix des niveaux s’effectue en fonction des règles de sélection spectrale de l’atome considéré.
Lors de cette phase de refroidissement, les 12 faisceaux laser des deux pièges MOT 2D et MOT 3D illuminent simultanément les deux enceintes, et chaque faisceau contient les deux fréquences fRetroid et fRepomp issues des deux lasers L1 et L2.
On applique également simultanément aux deux enceintes le premier champ magnétique décrit plus haut.
Une fois les atomes refroidis, ils sont tous sur le même niveau FO, F=2 pour le rubidium 87, répartis sur tous les sous-niveaux Zeeman du niveau FO (5 pour le rubidium 87).
La deuxième phase de pompage optique consiste à mettre tous les atomes sur un même sous-niveau Zeeman Z0 prédéterminé de l’état fondamental F=2. Cette phase est importante car à l’issue du refroidissement les atomes peuplent tous les niveaux Zeeman de F=2, et on souhaite maximiser le nombre d’atomes dans un niveau Zeeman déterminé Z0 (celui qui sera « chargé » sur le circuit atomique) pour maximiser le nombre d’atomes « chargés » sur le circuit atomique.
La figure 5 illustre les différents sous-niveaux Zeeman snZ des états F=1 et F=2 du rubidium 87 (non représentés figure 4). On voit que le niveau F=2 présente 5 sous-niveaux Zeeman. Pour un niveau fondamental donné, les sous-niveaux Zeeman sont caractérisés par la valeur de la grandeur mF correspondant à la projection du moment angulaire atomique F sur l’axe de quantification. Un sous-niveau Zeeman est ainsi décrit par la valeur de F et la valeur de mF selon le formalisme |F=2;mF=2> pour le sous-niveau F=2 pour lequel mF=2, tel qu’illustré figure 5. Pour le rubidium 87, le sous-niveau Z0 prédéterminé est le niveau |F=2;mF=2>.
Pendant cette deuxième phase on applique un champ magnétique homogène dans l’enceinte contenant MOT 3D, pour lever la dégénérescence des différents sous-niveaux Zeeman, c’est à dire donner à chaque sous- niveau Zeeman une énergie différente permettant de les discriminer. Selon une relation connue, les différentes fréquences de résonance correspondant aux transitions entre un sous-niveau Zeeman de F=1 et un sous-niveau Zeeman de F=2 sont fonction de la valeur de ce champ magnétique homogène.
Ce champ est typiquement généré avec une paire de bobines en configuration de Helmholtz. Le laser L1 , ici polarisé s+ (circulaire droit), est réutilisé comme laser pour le pompage (il éclaire alors le nuage atomique selon une autre direction que lors du refroidissement), il doit être à une fréquence fp0mp en dessous d’une transition déterminée d’une grandeur e2 d’environ 160 à 260 MHz.
Le deuxième laser L2 dit de « repompage » est également utilisé pour ramener tous les atomes sur le niveau fondamental F=2.
Pendant cette deuxième phase les deux lasers L1 et L2 illuminent seulement l’enceinte contenant MOT 3D.
Dans une troisième phase de détection (après un certain temps d’interférométrie) seul le laser L1 est utilisé, ici comme laser de détection, avec une fréquence fdet ajustée sur une résonance atomique.
Dans une variante de cette troisième phase les lasers L1 et L2 peuvent être utilisés séquentiellement ou simultanément. Ainsi les systèmes de refroidissement pour capteur à atomes froids selon l’état de l’art capables de fournir un certain nombre d’atomes froids dans la gamme 100 mK sont coûteux, complexes à réaliser et à mettre en oeuvre.
Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un système de refroidissement simplifié utilisant un principe de refroidissement en lumière isotrope. DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention a pour objet un système de refroidissement pour capteur à atomes froids comprenant :
-une chambre de refroidissement à deux dimensions, dénommée chambre 2D, maintenue sous ultravide et disposée au moins partiellement à l’intérieur d’un cylindre intégrant présentant un axe Z, ledit cylindre intégrant étant configuré pour illuminer la chambre 2D par une première lumière isotrope, ladite chambre 2D comprenant des atomes à refroidir,
-une chambre de refroidissement à trois dimensions, dénommée chambre 3D, maintenue sous ultra vide et reliée à la chambre 2D par une ouverture (Op) configurée pour permettre le passage desdits atomes de la chambre 2D vers la chambre 3D par déplacement sensiblement selon l’axe Z, ladite chambre 3D étant disposée au moins partiellement à l’intérieur d’une sphère intégrante, ladite sphère intégrante étant configurée pour illuminer la chambre 3D par une deuxième lumière isotrope.
Typiquement les atomes sont du Rubidium. Selon un mode de réalisation la chambre 2D est en outre configurée pour être illuminée, via un hublot, par un faisceau laser selon l’axe Z.
Selon un mode de réalisation la première et la deuxième lumière isotrope proviennent respectivement d’un premier et d’un deuxième ensemble de fibres optiques connectées respectivement au cylindre intégrant et à la sphère intégrante via des entrées associées.
Typiquement le premier ensemble est constitué de quatre fibres optiques multimodes, les quatre entrées associées étant disposées dans un même plan perpendiculaire à l’axe Z et passant par le milieu de la hauteur dudit cylindre, et étant espacées de 90°.
Typiquement le deuxième ensemble est constitué de quatre fibres optiques multimodes, les quatre entrées associées étant disposées de sorte que deux d’entre elles sont diamétralement opposées et situées sur une droite passant par le centre de la sphère, les deux autres entrées étant situées dans un plan perpendiculaire à ladite droite et contenant le centre de la sphère. Selon un mode de réalisation la sphère intégrante présente en outre deux ouvertures permettant le passage d’un faisceau de détection.
Préférentiellement les fibres optiques sont configurées de sorte qu’un champ optique à l’intérieur de la sphère présente des tavelures de grain fin.
Préférentiellement la surface interne dudit cylindre intégrant et la surface interne de la sphère intégrante sont chacune soit un miroir à haute réflectivité, soit parfaitement diffusante.
Selon un mode de réalisation le système de refroidissement selon l’invention comprend en outre un dispositif de génération d’un champ magnétique uniforme dans la chambre 3D, et un dispositif de génération d’une onde hyperfréquence se propageant dans la chambre 3D, ladite onde hyperfréquence présentant une pluralité de fréquences.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un capteur à atomes froids à circuit atomique comprenant une source d’atomes, un système de refroidissement selon l’invention et un circuit atomique disposé à l’intérieur de la chambre 3D ou constituant au moins partiellement une des parois de ladite chambre 3D.
Selon une variante le circuit atomique constitue au moins partiellement une paroi de la chambre 3D et est transparent, la face n’étant pas dans le vide étant revêtue d’une couche diffusante ou réfléchissante.
Selon encore un autre aspect l’invention concerne un procédé de refroidissement d’atomes pour un capteur à atomes froid à circuit atomique, ledit capteur comprenant :
-une chambre de refroidissement à deux dimensions, dénommée chambre 2D, maintenue sous ultravide et comprenant des atomes à refroidir, ladite chambre 2D étant disposée au moins partiellement à l’intérieur d’un cylindre intégrant présentant un axe Z, ledit cylindre intégrant étant configuré pour illuminer la chambre 2D par une première lumière isotrope,
une chambre de refroidissement à trois dimensions, dénommée chambre 3D, maintenue sous ultra vide et reliée à la chambre 2D par une ouverture configurée pour permettre le passage desdits atomes de la chambre 2D vers la chambre 3D par déplacement sensiblement selon l’axe Z, ladite chambre 3D étant disposée au moins partiellement à l’intérieur d’une sphère intégrante configurée pour illuminer la chambre 3D par une deuxième lumière isotrope,
lesdits atomes à refroidir présentant un premier et un deuxième niveau fondamental, lesdits niveaux étant hyperfins,
le procédé comprenant:
-une première phase de refroidissement mise en œuvre pendant un premier laps de temps consistant à refroidir les atomes et à les mettre dans un des deux états fondamentaux hyperfins dénommé FO, comprenant une étape d’illumination de la chambre 2D et de la chambre 3D par respectivement la première et la deuxième lumière isotrope, lesdites lumières isotropes présentant une fréquence de refroidissement et une fréquence de repompage,
- une deuxième phase de pompage optique, mise en œuvre après avoir éteint les lumières isotropes pendant un deuxième laps de temps, ladite deuxième phase étant mise en œuvre pendant un troisième laps de temps et destinée à mettre les atomes dans un sous-niveau Zeeman déterminé de l’état fondamental, ladite deuxième phase comprenant les étapes, mises en œuvre simultanément dans la chambre 3D, consistant à :
-appliquer un champ magnétique homogène,
-illuminer avec la deuxième lumière isotrope présentant la fréquence de repompage,
-illuminer avec une onde hyperfréquence présentant une pluralité de fréquences différentes, chaque fréquence correspondant à une fréquence de résonance d’une transition entre un sous-niveau Zeeman du premier niveau fondamental et un sous-niveau Zeeman du deuxième niveau fondamental.
Selon un mode de réalisation, pendant la phase de refroidissement on illumine également la chambre 2D avec un faisceau laser selon l’axe Z du cylindre, présentant la fréquence de refroidissement et la fréquence de repompage. Typiquement, les atomes à refroidir sont du rubidium 87, les deux niveaux fondamentaux hyperfins étant dénommés F=1 et F=2, le niveau fondamental étant le niveau F=2 et le sous-niveau Zeeman prédéterminé étant le sous- niveau noté |F=2;mF=2>, avec F moment angulaire atomique et mF projection du moment angulaire atomique sur l’axe de quantification, et dans lequel la pluralité de fréquences est constituée de quatre fréquences avec :
une première fréquence correspondant à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=-1 > vers |F=2;mF=-2>,
une deuxième fréquence correspondant à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=0> vers | F=2 ;mF=-1 >,
une troisième fréquence correspondant à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=1 > vers |F=2;mF=0>, et
une quatrième fréquence correspondant à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=1 > vers | F=2 ;mF=1 >.
Selon un dernier aspect l’invention concerne un procédé de mesure réalisé par un capteur à atomes froids comprenant un circuit atomique disposé à l’intérieur de la chambre 3D ou constituant une des parois de ladite chambre 3D, le procédé comprenant :
-une étape de refroidissement réalisée par le procédé de refroidissement selon l’invention,
-une étape de transfert des atomes à proximité du circuit atomique avec un ascenseur magnétique,
-une étape de piégeage desdits atomes sur le circuit atomique afin de les refroidir à nouveau,
-une étape de mesure réalisée par des microcircuits présents sur le circuit atomique,
-une étape de détection réalisée à l’aide d’un faisceau laser de détection qui illumine lesdits atomes 3D situés à proximité du circuit atomique.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 , déjà citée, illustre le piège magnéto optique permettant de réaliser le piège à 2 dimensions dénommé MOT 2D selon l’état de l’art.
La figure 2, déjà citée, illustre le piège magnéto optique permettant de réaliser le piège à 3 dimensions dénommé MOT 3D selon l’état de l’art.
La figure 3, déjà citée, illustre les principaux niveaux atomiques d’intérêt du rubidium 87.
La figure 4, déjà citée, illustre les fréquences nécessaires lors des trois phases, refroidissement, pompage et détection nécessaires à la mise en œuvre d’un capteur à atomes froids selon l’état de l’art.
La figure 5, déjà citée, illustre les différents sous-niveaux Zeeman des états F=1 et F=2 du rubidium 87.
La figure 6 illustre un système de refroidissement pour capteur à atomes froids selon l’invention.
La figure 7 illustre un mode de réalisation d’éclairage de la chambre 2D par le cylindre intégrant via quatre fibres optiques.
La figure 8 illustre un exemple de répartition des quatre entrées de fibres optiques dans la sphère intégrante.
La figure 9 illustre un capteur à atomes froids à circuit atomique selon l’invention.
La figure 10 illustre un procédé de refroidissement d’atomes pour un capteur à atomes froids à circuit atomique selon l’invention.
La figure 1 1 décrit le mécanisme de la deuxième phase de pompage optique du procédé selon l’invention, pour le cas du rubidium 87.
La figure 12 illustre un procédé de mesure réalisé par un capteur à atomes froids selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION Le système de refroidissement 10 pour capteur à atomes froids selon l’invention est illustré figure 6.
Il utilise le principe de refroidissement dénommé refroidissement en lumière isotrope (Isotropie Light Cooling en anglais) décrit dans la publication de T.G. Aardena et al « Tranverse diffusion in Isotropie Light Slowing » Physical Review Letters Vol 76, N°5, 1996. Dans cette publication un faisceau d’atomes préalablement collimaté est refroidi dans deux directions.
Ce principe est basé sur l’échange d’impulsion entre les photons absorbés et émis par l’atome à refroidir. Soit un atome de vitesse v, l’atome à refroidir absorbe des photons dont l’impulsion est sur la surface d’un cône d’angle Q tel que :
f atome = f Refroid + [f Refroid V COS(6)]/C
c est la vitesse de la lumière et fat0me est la fréquence de la transition utilisée pour le refroidissement ; dans le cas du rubidium 87 c’est la fréquence de la transition F=2->F’=3. En moyenne sur beaucoup de cycles absorption/émission de photons par l’atome à refroidir : i) la moyenne des impulsions des photons réémis par l’atome est nulle, ii) la moyenne des projections dans le plan perpendiculaire à la vitesse de l’atome des impulsions des photons absorbés par l’atome est nulle, iii) la moyenne des projections dans la direction de la vitesse de l’atome des impulsions des photons absorbés par l’atome est non nulle et est opposée à la vitesse de l’atome. Il en résulte donc une force qui ralentit l’atome et donc le refroidit. Dans la publication précitée seul le refroidissement à deux dimensions en lumière isotrope est décrit.
La publication de H. D. Cheng et al « Laser cooling of rubidium atoms from background vapor in diffuse light » Physical Review A Vol 79, N ° 023407, 2009, décrit le refroidissement isotrope à trois dimensions, qui ne permet d’obtenir qu’un faible nombre d’atomes refroidis.
Le système de refroidissement 10 selon l’invention comprend deux chambres de refroidissement, une chambre 2D et une chambre 3D, et repose sur la combinaison d’un cylindre et d’une sphère intégrante comme décrit ci- dessous.
Une chambre de refroidissement à deux dimensions Ch2D ou chambre 2D est maintenue sous ultravide à l’aide d’un système de pompes non représenté connecté au niveau du conduit 5. La chambre 2D est disposée au moins partiellement à l’intérieur d’un cylindre intégrant IC présentant une symétrie de révolution suivant un axe Z. Dans la chambre 2D sont présents des atomes 13 à refroidir. Ces atomes sont préférentiellement du rubidium 87 mais peuvent également être des atomes rubidium 85, du césium, du sodium ou du potassium 40.
Selon une option ces atomes proviennent d’une source disposée à l’intérieur de la chambre 2D tel un filament (non représenté). Selon une autre option ces atomes proviennent d’une chambre additionnelle connectée à la chambre 2D. La chambre 2D sert à « charger » la chambre 3D avec des atomes pré-refroidis. Le cylindre intégrant est configuré pour illuminer la chambre 2D avec une première lumière isotrope IL1. Lorsqu’elle illumine la chambre 2D la première lumière isotrope IL1 présente deux fréquences définies dans l’état de l’art, la fréquence de refroidissement fRetroid et la fréquence de repompage fRep0mp (voir procédé plus loin).
Préférentiellement la surface interne 12 du cylindre IC est constituée soit d’un miroir à haute réflectivité, par exemple du cuivre avec un poli optique, soit d’un matériau parfaitement diffusant, par exemple du spectralon™. L’objectif est d’éclairer la chambre 2D avec, dans un plan XY, des rayons lumineux provenant de manière équivalente de toutes les directions et d’avoir une symétrie par translation suivant l’axe Z du champ lumineux.
Préférentiellement la chambre 2D Ch2D est également de forme cylindrique et ses parois sont en verre, transparent pour la longueur d’onde de fonctionnement, autour de 780 nm pour le rubidium 87.
La lumière isotrope éclairant les atomes 13 permet de refroidir les atomes 13 contenus dans Ch2D dans un plan YX perpendiculaire à Z et perpendiculaire au plan de la figure 6 (voir plus loin la partie sur le procédé de refroidissement). La chambre 2D combinée au cylindre intégrant IC est configurée pour réaliser un piège optique à 2 dimensions OT2D pour des atomes 13 présents dans la chambre 2D. Les atomes ainsi refroidis forment un nuage AC2D de forme filaire selon Z situé au centre du cylindre. Le nuage AC2D passe ensuite dans la chambre 3D Ch3D par une ouverture Op qui relie Ch2D et Ch3D et permet le passage des atomes du nuage AC2D de la chambre 2D vers la chambre 3D par déplacement sensiblement selon l’axe Z.
L’ouverture Op fait typiquement de l’ordre du millimètre de diamètre et de l’ordre de quelques millimètres de profondeur. Préférentiellement ce trou de passage des atomes entre les deux chambres est réalisé dans une pièce planaire 3 en cuivre OFHC dont la surface présente un poli optique. Cela permet, en plus du refroidissement à deux dimensions déjà mentionné, de pré-refroidir les atomes dans la direction verticale. Cela augmente le nombre d’atomes refroidis dans la chambre de refroidissement à trois dimensions Ch3D.
Préférentiellement la chambre 2D est en outre configurée pour être illuminée, via un hublot 14 par un faisceau laser pousseur Fp de direction selon l’axe du cylindre Z, tel qu’illustré figure 6. Typiquement son diamètre est de l’ordre du cm. Il permet de charger plus rapidement la chambre de refroidissement à trois dimensions en poussant AC2D au travers du trou de passage. Le système de refroidissement selon l’invention comprend également une chambre de refroidissement à trois dimensions Ch3D dénommée chambre 3D reliée à la chambre 2D par une ouverture Op. L’ouverture Op est configurée pour permettre le passage des atomes 13 de la chambre 2D vers la chambre 3D par déplacement sensiblement selon l’axe Z, comme illustré figure 6. La chambre Ch3D est maintenue sous ultra vide par un système de pompe non représenté connecté via le conduit 6.
La chambre 3D est disposée au moins partiellement à l’intérieur d’une sphère intégrante IS qui est configurée pour illuminer la chambre 3D par une deuxième lumière isotrope IL2.
Le refroidissement à deux dimensions sert à charger la chambre de refroidissement à trois dimensions avec des atomes pré-refroidis. Le refroidissement à trois dimensions permet de refroidir par laser un grand nombre d’atomes (109 atomes à 100 mK en 100 ms par exemple). La chambre 3D combinée à la sphère intégrante IS est configurée pour réaliser un piège optique tridimensionnel des atomes 13 issus de la chambre 2D. Une fois refroidis dans les trois dimensions les atomes forment un nuage AC3D illustré figure 6. Ce nuage est ensuite utilisé pour réaliser une mesure d’horloge, d’accélération, de vitesse, de rotation (voir procédé plus loin).
Préférentiellement la chambre 3D Ch3D est de forme parallélépipédique, et ses parois sont en verre, transparent pour la longueur d’onde de fonctionnement, autour de 780 nm pour le rubidium 87.
La surface 24 de la sphère intégrante IS est sujette aux mêmes spécifications que celle du cylindre intégrant IC.
Le refroidissement s’opère par illumination des chambres par IL1 et IL2 selon un procédé décrit plus loin. Comme selon l’état de l’art dans une première phase de refroidissement on illumine Ch2D et Ch3D par une lumière (respectivement IL1 et IL2) présentant deux fréquences fRetroid et fRepomp définies plus haut. Par contre, dans une deuxième étape de pompage optique, la chambre 3D est illuminée avec une seule fréquence optique fRepomp. Comme expliqué plus loin, du fait de la spécificité du refroidissement par éclairage en lumière isotrope, le procédé de refroidissement est différent du procédé selon l’état de l’art.
Préférentiellement les fréquences fRetroid et fRepomp proviennent de deux lasers L1 et L2. Dans le cas d’une surface interne de IC et IS réfléchissante (respectivement diffusante), du fait de la réflexion (respectivement diffusion) de la lumière dans IC et IS, les faisceaux lumineux réfléchis (respectivement diffus) qui éclairent Ch2D et Ch3D ne sont pas polarisés, contrairement aux faisceaux utilisés dans l’état de la technique qui doivent être polarisés.
Le système d’éclairement des chambres 2D et 3D selon l’invention réalisé avec le cylindre intégrant et la sphère intégrante est grandement simplifié par rapport au système optique de l’état de l’art. La polarisation de la lumière qui éclaire les chambres Ch2D et Ch3D n’a plus besoin d’être contrôlée. Le premier champ magnétique présentant une variation spatiale spécifique tel qu’utilisé classiquement n’est plus nécessaire. En outre il n’y a plus besoin de collimateurs complexes pour mettre en forme les faisceaux laser, il suffit d’introduire de la lumière (de polarisation quelconque) dans IC et IS. Selon une variante préférée la première lumière isotrope IL1 et la deuxième lumière isotrope IL2 proviennent respectivement d’un premier et d’un deuxième ensemble de fibres optiques connectées respectivement au cylindre intégrant et à la sphère intégrante via des entrées associées. Des fibres optiques OF1 pour IC et OF2 pour IS sont illustrées figure 6. Les fibres optiques sont connectées, à l’autre extrémité, à la fois à L1 et L2, pour véhiculer la lumière depuis les lasers jusque dans le cylindre et la sphère. L’acheminement de la lumière via des fibres optiques est rendu possible car il n’y a aucune contrainte sur la polarisation de la lumière éclairant les chambres ainsi que sur la forme des faisceaux éclairant la première chambre Ch2D et la deuxième chambre Ch3D.
Selon un mode de réalisation le premier ensemble est constitué de quatre fibres optiques multimodes OF1 dont les quatre entrées associées sont disposées de manière à ce que l’intérieur du cylindre soit éclairé de façon uniforme.
La figure 7 illustre un mode de réalisation d’éclairage de Ch2D par le cylindre intégrant IC via quatre fibres optiques dans lequel les quatre entrées associées 11 sont disposées dans un même plan P1 perpendiculaire à l’axe Z et passant par le milieu de la hauteur h dudit cylindre. Les quatre entrées 1 1 sont préférentiellement espacées de 90°. La figure 7a illustre une vue de côté du cylindre IC tandis que la figure 7b illustre une vue en coupe selon le plan P1 tel que défini plus haut.
Cette configuration permet d’avoir un champ lumineux dont la distribution des impulsions des photons est la plus isotrope possible dans un plan XY et présente une relativement bonne symétrie en translation suivant l’axe vertical du cylindre. Cette distribution d’impulsion suit la distribution des rayons lumineux dans le cylindre décrite précédemment.
Selon une option le système de refroidissement selon l’invention comprend au niveau de Ch2D, quatre aimants permanents disposés à l’extérieur du cylindre IC afin de créer un premier champ magnétique tel que décrit selon l’état de l’art. Ce champ permet, si besoin d’augmenter la collimation du faisceau d’atomes AC2D. Il n’est cependant pas nécessaire à la mise en œuvre du système de refroidissement.
Selon un mode de réalisation le deuxième ensemble est constitué de quatre fibres optiques multimodes OF2, les quatre entrées associées étant disposées de manière à ce que l’intérieur de la sphère soit éclairé de façon uniforme.
La figure 8 illustre un exemple de répartition des quatre entrées associées 21 dans lequel deux d’entre elles (non représentées) sont diamétralement opposées et situées sur une droite passant par le centre de la sphère, les deux autres entrées (illustrées figure 8) étant situées dans un plan perpendiculaire à ladite droite et contenant le centre de la sphère.
Pour le cas d’un capteur à atomes froids à circuit atomique Atc, celui-ci est disposé dans Ch3D. Dans ce cas, les fibres passant par les entrées 21 pointent vers le centre de la puce atomique Atc. Cette configuration permet que le maximum d’intensité du champ laser soit proche de la puce atomique tout en maintenant une distribution isotrope de l’impulsion des photons du champ laser.
Selon un mode de réalisation la sphère intégrante IS présente en outre deux ouvertures 22 illustrées figure 8 permettant le passage d’un faisceau de détection Fdet. Ce faisceau illumine le nuage AC3D qui a été approché du circuit Atc (par un ascenseur magnétique non représenté) pour détecter les atomes par absorption ou par fluorescence (comptage du nombre d’atomes dans différents états pour finaliser la mesure).
Selon un mode de réalisation les fibres optiques OF2 sont configurées de sorte que le champ optique à l’intérieur de la sphère présente des tavelures (ou « speckle » en anglais) de grain fin. Par tavelure de grain fin on entend des tavelures dont la taille typique est de quelques fois la longueur d’onde de la lumière utilisée pour le refroidissement.
En effet, comme expliqué dans la littérature sur le sujet, des tavelures de grain fin permettent de refroidir davantage d’atomes jusqu’à quelques mK. Selon un mode de réalisation la sphère IS comporte des ouvertures 23 dont une est illustrée figure 8 permettant le passage des connections électriques de la puce atomique ainsi que de l’ascenseur magnétique. Tous les câbles passant par ces ouvertures sont recouverts soit d’un matériel de haute réflectivité soit d’un matériel diffusant et les ouvertures sont de tailles justes suffisantes pour le passage des câbles. Cela est fait pour éviter que des photons soient absorbés dans la sphère ou sortent de la sphère et donc ne contribuent plus au processus de refroidissement.
Selon un mode de réalisation deux bobines non représentées permettent de générer une géométrie de champ magnétique identique à celle utilisée pour la phase de refroidissement de AC3D dans l’état de la technique. Ce champ magnétique permet si besoin d’augmenter la densité dans l’espace des phases du nuage d’atomes.
Comme il est décrit plus loin le procédé de refroidissement avec le système de refroidissement selon l’invention présente des spécificités. Pour être mis en oeuvre il nécessite l’application d’un champ magnétique homogène dans Ch3D et d’une onde hyperfréquence présentant plusieurs fréquences.
Ainsi selon un mode de réalisation le système de refroidissement selon l’invention comprend en outre un dispositif de génération dans la chambre 3D d’un champ magnétique uniforme, et un dispositif de génération, également dans la chambre 3D, d’une onde hyperfréquence présentant une pluralité de fréquences.
Par exemple le dispositif de génération du champ magnétique homogène comprend deux bobines 92 utilisées en configuration de Helmholtz disposées à l’extérieur de la sphère intégrante IS (voir plus loin figure 9).
Selon un premier exemple le dispositif de génération de l’onde hyperfréquence comprend une antenne disposée à l’intérieur de la chambre 3D.
Selon un deuxième exemple, pour un capteur à atomes froids à circuit atomique, le dispositif de génération de l’onde hyperfréquence comprend un guide hyperfréquence planaire 91 disposé sur la puce atomique Atc (voir figure 9 ci-dessous).
Selon un autre aspect l’invention concerne un capteur à atomes froids à circuit atomique 50 illustré figure 9 comprenant une source d’atomes S, un système de refroidissement 10 selon l’invention tel que décrit précédemment et un circuit atomique Atc, par exemple en SiC (carbure de silicium) ou AIN (nitrure d’aluminium). Selon une option la source d’atomes S est disposée à l’intérieur de Ch2D, tel qu’illustré figure 9. Selon une autre option les atomes sont injectés dans Ch2D à partir d’une source située dans une chambre additionnelle connectée à la chambre 2D par exemple par l’intermédiaire du conduit 5. Selon une première option illustrée figure 9 le circuit Atc constitue au moins partiellement une des parois de ladite chambre 3D.
Selon une deuxième autre option le circuit Atc est disposé à l’intérieur de la chambre 3D.
Selon un mode de réalisation le circuit Atc est transparent, et la face n’étant pas du côté de AC3D (face qui n’est pas dans le vide pour la première option) est revêtue d’une couche configurée pour diffuser la lumière, tel du spectralon™ ou d’une couche réfléchissante tel que l’or. On améliore ainsi la distribution isotrope de l’impulsion des photons du champ optique de refroidissement.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé 90 de refroidissement d’atomes pour un capteur à atomes froids à circuit atomique, tel qu’illustré figure 10.
Le capteur comprend une chambre de refroidissement à deux dimensions Ch2D comprenant des atomes 13 à refroidir disposée au moins partiellement à l’intérieur d’un cylindre intégrant présentant un axe Z, le cylindre intégrant IC étant configuré pour illuminer la chambre 2D par une première lumière isotrope IL1. Le capteur comprend également une chambre de refroidissement à trois dimensions Ch3D reliée à la chambre 2D par une ouverture Op configurée pour permettre le passage des atomes de la chambre 2D vers la chambre 3D par déplacement sensiblement selon l’axe Z. La chambre 3D est disposée au moins partiellement à l’intérieur d’une sphère intégrante IS configurée pour illuminer la chambre 3D par une deuxième lumière isotrope IL2.
Les atomes 13 à refroidir présentent un premier et un deuxième niveau fondamental, lesdits niveaux étant hyperfins (voir définition plus haut).
Comme l’état de la technique le procédé selon l’invention comprend une première phase de refroidissement et une deuxième phase de pompage optique, mais ces phases présentent des spécificités du fait du refroidissement par lumière isotrope.
La première phase de refroidissement 100, mise en œuvre pendant un premier laps de temps T 1 , consiste à refroidir les atomes et à les mettre dans un des deux états fondamentaux hyperfins, que nous dénommerons FO.
Pour le rubidium 87 cet état FO est l’état noté F=2.
Typiquement T 1 est de l’ordre de 100 ms.
Cette première phase comprend une étape 101 d’illumination de la chambre 2D et de la chambre 3D par respectivement la première lumière isotrope IL1 et la deuxième lumière isotrope IL2, ces lumières isotropes présentant une fréquence de refroidissement fRetroid et une fréquence de repompage fRep0mP· Aucune polarisation spécifique des faisceaux n’est nécessaire.
Cette phase est mise en œuvre typiquement en allumant le laser de refroidissement L1 et le laser de repompage L2 qui, via des fibres optiques par exemple, illuminent le cylindre IC et la sphère IS. Par exemple pour le rubidium 87 la fréquence fRetroid est inférieure à la fréquence de la transition F=2->F’=3 d’une grandeur e1 , typiquement comprise entre quelques MHz et une centaine de MHz. La fréquence fRep0mp correspond à la transition F=1 - >F’=2 (voir figure 4).
Préférentiellement pendant la phase de refroidissement, on illumine également la chambre 2D avec un faisceau laser Fp dit « pousseur » selon l’axe Z du cylindre, présentant également la fréquence de refroidissement f Refroid et la fréquence de repompage fRep0mP (étape 102 sur la figure 10). Typiquement ce faisceau est issu de la combinaison d’un faisceau issu de L1 et d’un faisceau issu de L2. Il est donc allumé en même temps que IL1 et IL2. Puis on éteint les lumières (IL1 , IL2, Fp le cas échéant) pendant un deuxième laps de temps T2, typiquement en éteignant les lasers.
Pour obtenir un procédé de refroidissement rapide on cherche à minimiser le temps T2. Typiquement T2 correspond à 100 ps.
Typiquement on dispose alors de 109 atomes à environ 100 mK ou quelques mK si la lumière isotrope IL2 comporte des tavelures de grain fin.
Après la phase de refroidissement laser (classe 100 mK) les atomes peuplent tous les sous-niveaux Zeeman de l’état fondamental F=2 du rubidium 87. Pour maximiser le nombre d’atomes piégés sur le circuit atomique, il est nécessaire de préparer optiquement les atomes dans un sous-niveau Zeeman particulier Z0. Si cela n’est pas fait une fraction importante (environ 80 % dans le cas du rubidium 87) du nombre d’atomes refroidis seraient perdus pour le second refroidissement (étape d’évaporation radiofréquence sur le circuit Atc, voir état de la technique).
Dans le cas du rubidium 87 le sous-niveau Zeeman particulier Z0 est le sous- niveau |F=2;mF=-2>.
Le procédé selon l’invention comprend donc une deuxième phase de pompage optique 200, mise en œuvre après avoir éteint les lumières isotropes pendant le deuxième laps de temps T2. Cette deuxième phase étant mise en œuvre pendant un troisième laps de temps T3 et est destinée à mettre les atomes dans un sous-niveau Zeeman déterminé Z0 de l’état fondamental F0. Typiquement le temps T3 est de l’ordre de la milliseconde.
Selon l’état de l’art (voir état de la technique et figure 4), pour cette phase de pompage on utilise un champ magnétique homogène (environ 2 Gauss), le laser de repompage (pour le rubidium 87 à résonance sur la transition F=1 - >F’=2), et la polarisation circulaire droite du laser refroidisseur qui pour le rubidium 87 est déplacé en fréquence pour résonner sur la transition F=2- >F’=2. Cependant, cette technique usuelle de pompage optique utilisant des lasers polarisés s+ ne peut plus être utilisée car la sphère et le cylindre intégrants ne préservent pas la polarisation des lasers. Ainsi pour bénéficier des avantages du refroidissement en lumière isotrope, il faut mettre en œuvre une nouvelle phase de pompage optique.
La deuxième phase comprend les étapes suivantes, mise en œuvre simultanément dans la chambre 3D.
Dans une étape 201 on applique un champ magnétique homogène, qui présente les mêmes caractéristiques que le second champ magnétique décrit dans l’état de l’art antérieur.
On illumine également (étape 202 sur la figure 10) la sphère intégrante IS avec la deuxième lumière isotrope IL2 présentant uniquement la fréquence de repompage fRep0mp· Pour cette étape typiquement on allume le laser repompeur L2, le laser refroidisseur L1 étant éteint. A la place on illumine (étape 203) avec une onde hyperfréquence MW comprenant une pluralité de fréquences de résonance différentes, typiquement comprises entre 5 et 15 GHz. Chaque fréquence du champ hyperfréquence correspond à une fréquence de résonance d’une transition entre un sous-niveau Zeeman du premier niveau fondamental et un sous-niveau Zeeman du deuxième niveau fondamental, de manière à empêcher les atomes de s’accumuler dans les sous-niveaux Zeeman autres que le sous-niveau Zeeman déterminé Z0.
Le mécanisme est décrit figure 11 pour le cas du rubidium 87, qui comprend 3 sous-niveaux Zeeman mF = -1 , 0 et +1 pour l’état F=1 et 5 sous-niveaux Zeeman mF = -2, -1 , 0, +1 et +2 pour l’état F=2.
Soit un atome initialement dans un sous-niveau Zeeman |F=2 ;mF=-2> (voir indicateur 30). Il va se diriger vers le bas car son sous-niveau est résonnant avec le sous-niveau | F=1 ;mF=-1 > via la fréquence microonde f1 (indicateur 31 ). A ce sous-niveau de F=1 , il est résonnant avec la fréquence de repompage fRep0mp et remonte dans un niveau F’ (indicateur 32) puis se désexcite : soit il redescend d’où il vient et repart vers le bas de la même manière, soit il redescend vers un autre sous-niveau de F=2, par exemple |F=2;mF=0> (indicateur 33). Il va ensuite se diriger vers le bas car son niveau est résonnant avec le sous-niveau |F=1 ;mF=+1 > via la fréquence microonde f3 (indicateur 34). A ce sous-niveau de F=1 , il est résonnant avec la fréquence de repompage fRep0mp et remonte dans un niveau F’ (indicateur 35) puis se désexcite à nouveau. Et ainsi de suite jusqu’à ce qu’il arrive sur le sous-niveau |F=2;mF=+2> qui n’est résonnant avec aucun sous-niveau de F=1.
Ce mécanisme permet d’empêcher l’accumulation d’atomes dans les états |F=1 ;mF=-1 ,0,1 > et |F=2;mF=-2,-1 ,0,1 >. Les atomes sont donc forcés d’aller dans l’état |F=2;m_F=2> (c’est le seul état noir du système) et on obtient donc une accumulation d’atomes sur ce sous-niveau Zeeman |F=2;mF=+2>. Ainsi pour le cas du rubidium la pluralité de fréquence est constituée de quatre fréquences f1 , f2, f3, f4 définies telles que :
-la première fréquence f1 correspond à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=-1 > vers |F=2;mF=-2>,
-la deuxième fréquence f2 correspond à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=0> vers | F=2 ;mF=-1 >,
-la troisième fréquence f3 correspond à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=1 > vers |F=2;mF=0>, et
-la quatrième fréquence f4 correspond à la fréquence de la transition | F=1 ;mF=1 > vers |F=2;mF=1 >.
Dans le procédé selon l’invention pour le chargement du piège magnétique on utilise un pompage optique combinant quatre champs microonde et un champ laser dont la polarisation est aléatoire. Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de mesure 190 illustré figure 12 réalisé par un capteur à atomes froids comprenant un circuit atomique Atc disposé à l’intérieur de la chambre 3D ou constituant une des parois de ladite chambre 3D. Le procédé comprend une première étape de refroidissement réalisée par le procédé 90 de refroidissement selon l’invention, puis une étape 93 de transfert des atomes à proximité du circuit atomique avec un ascenseur magnétique, puis une étape 94 de piégeage desdits atomes sur le circuit atomique afin de les refroidir à nouveau (second refroidissement). Ainsi le refroidissement à deux dimensions sert à charger la chambre de refroidissement à trois dimensions Ch3D avec des atomes pré-refroidis. Le refroidissement à trois dimensions permet de refroidir par laser un grand nombre d’atomes (109 atomes à 100 mK en 100 ms) qui sont ensuite transférés dans le sous-niveau Zeeman Z0 (étape 200). Puis on allume un ascenseur magnétique permettant de transférer les atomes (étape 93) jusqu’au piège magnétique créé par la puce atomique Atc au voisinage de celle-ci (étape 94). Puis dans une étape 96 une mesure est réalisée par des microcircuits présents sur le circuit atomique AtC. Par exemple pour réaliser une mesure de rotation les atomes sont mis dans une superposition cohérente de deux sous-niveaux Zeeman (notés |a> et |b>) qui sont ensuite déplacés le long d’une trajectoire fermée contenant une aire non nulle. |a> et |b> sont déplacés dans des directions opposées.
A l’issue de cette mesure les atomes au voisinage de la puce peuplent différents sous-niveaux Zeeman selon une répartition fonction du paramètre que l’on souhaite mesurer.
Enfin une étape 98 de détection est réalisée et consiste à compter le nombre d’atomes respectifs dans les différents sous-niveaux Zeeman en jeu lors de la mesure précédente. Cette détection est effectuée à l’aide d’un faisceau laser de détection Fdet, qui illumine les atomes 3D situés à proximité du circuit atomique. La détection s’opère par fluorescence ou absorption.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de refroidissement (10) pour capteur à atomes froids comprenant :
-une chambre de refroidissement à deux dimensions, dénommée chambre 2D (Ch2D), maintenue sous ultravide et disposée au moins partiellement à l’intérieur d’un cylindre intégrant (IC) présentant un axe Z, ledit cylindre intégrant étant configuré pour illuminer la chambre 2D par une première lumière isotrope (IL1 ), ladite chambre 2D comprenant des atomes (13) à refroidir,
-une chambre de refroidissement à trois dimensions, dénommée chambre 3D (Ch3D), maintenue sous ultra vide et reliée à la chambre 2D par une ouverture (Op) configurée pour permettre le passage desdits atomes (13) de la chambre 2D vers la chambre 3D par déplacement sensiblement selon l’axe Z, ladite chambre 3D étant disposée au moins partiellement à l’intérieur d’une sphère intégrante (IS), ladite sphère intégrante étant configurée pour illuminer la chambre 3D par une deuxième lumière isotrope (IL2).
2. Système de refroidissement selon la revendication 1 dans lequel les atomes (13) sont des atomes de Rubidium.
3. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes dans lequel la chambre 2D (Ch2D) est en outre configurée pour être illuminée, via un hublot (14), par un faisceau laser (Fp) selon l’axe Z.
4. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première (IL1 ) et la deuxième (IL2) lumière isotrope proviennent respectivement d’un premier et d’un deuxième ensemble de fibres optiques (OF1 , OF2) connectées respectivement au cylindre intégrant (IC) et à la sphère intégrante (IS) via des entrées associées (1 1 , 21 ).
5. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier ensemble est constitué de quatre fibres optiques multimodes (OF1 ), les quatre entrées associées (1 1 ) étant disposées dans un même plan (P1 ) perpendiculaire à l’axe Z et passant par le milieu de la hauteur (h) dudit cylindre, et étant espacées de 90°.
6. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes dans lequel le deuxième ensemble est constitué de quatre fibres optiques multimodes (OF2), les quatre entrées associées (21 ) étant disposées de sorte que deux d’entre elles sont diamétralement opposées et situées sur une droite passant par le centre de la sphère, les deux autres entrées étant situées dans un plan perpendiculaire à ladite droite et contenant le centre de la sphère.
7. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes dans lequel la sphère intégrante (IC) présente en outre deux ouvertures (22) permettant le passage d’un faisceau de détection (Fdet).
8. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes dans lequel les fibres optiques sont configurées de sorte qu’un champ optique à l’intérieur de la sphère présente des tavelures de grain fin.
9. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes dans lequel la surface interne dudit cylindre intégrant (12) et la surface interne de la sphère intégrante (24) sont chacune soit un miroir à haute réflectivité, soit parfaitement diffusante.
10. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes comprenant en outre un dispositif (92) de génération d’un champ magnétique uniforme dans la chambre 3D, et un dispositif (91 ) de génération d’une onde hyperfréquence se propageant dans la chambre 3D, ladite onde hyperfréquence présentant une pluralité de fréquences.
1 1. Capteur à atomes froids (50) à circuit atomique comprenant :
-une source d’atomes (S)
-un système de refroidissement (10) selon l’une des revendications 1 à 10, -un circuit atomique (Atc) disposé à l’intérieur de la chambre 3D ou constituant au moins partiellement une des parois de ladite chambre 3D.
12. Capteur selon la revendication 1 1 dans lequel le circuit atomique (Atc) constitue au moins partiellement une paroi de la chambre 3D et est transparent, la face n’étant pas dans le vide étant revêtue d’une couche diffusante ou réfléchissante.
13. Procédé (90) de refroidissement d’atomes (13) pour un capteur à atomes froids à circuit atomique, ledit capteur comprenant :
-une chambre de refroidissement à deux dimensions, dénommée chambre 2D (Ch2D), maintenue sous ultravide et comprenant des atomes (13) à refroidir, ladite chambre 2D étant disposée au moins partiellement à l’intérieur d’un cylindre intégrant présentant un axe Z, ledit cylindre intégrant étant configuré pour illuminer la chambre 2D par une première lumière isotrope,
-une chambre de refroidissement à trois dimensions, dénommée chambre 3D (Ch3D), maintenue sous ultra vide et reliée à la chambre 2D par une ouverture configurée pour permettre le passage desdits atomes de la chambre 2D vers la chambre 3D par déplacement sensiblement selon l’axe Z, ladite chambre 3D étant disposée au moins partiellement à l’intérieur d’une sphère intégrante configurée pour illuminer la chambre 3D par une deuxième lumière isotrope,
lesdits atomes à refroidir présentant un premier et un deuxième niveau fondamental, lesdits niveaux étant hyperfins,
le procédé comprenant:
-une première phase de refroidissement (100) mise en oeuvre pendant un premier laps de temps (T1 ) consistant à refroidir les atomes et à les mettre dans un des deux états fondamentaux hyperfins dénommé F0, comprenant une étape (101 ) d’illumination de la chambre 2D et de la chambre 3D par respectivement la première et la deuxième lumière isotrope, lesdites lumières isotropes présentant une fréquence de refroidissement (fRefr0id) et une fréquence de repompage (fRep0mp),
- une deuxième phase de pompage optique (200), mise en oeuvre après avoir éteint les lumières isotropes pendant un deuxième laps de temps (T2), ladite deuxième phase étant mise en oeuvre pendant un troisième laps de temps (T3) et destinée à mettre les atomes dans un sous-niveau Zeeman déterminé (ZO) de l’état fondamental (FO), ladite deuxième phase comprenant les étapes, mises en oeuvre simultanément dans la chambre 3D, consistant à :
-appliquer (201 ) un champ magnétique homogène,
-illuminer (202) avec la deuxième lumière isotrope présentant la fréquence de repompage (fRep0mp),
-illuminer (203) avec une onde hyperfréquence présentant une pluralité de fréquences différentes, chaque fréquence correspondant à une fréquence de résonance d’une transition entre un sous-niveau Zeeman du premier niveau fondamental et un sous-niveau Zeeman du deuxième niveau fondamental.
14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel, pendant la phase de refroidissement, on illumine également la chambre 2D avec un faisceau laser (Fp) selon l’axe Z du cylindre, présentant la fréquence de refroidissement (fRetroid) et la fréquence de repompage (fRep0mp) ·
15. Procédé selon l’une des revendications 13 ou 14 dans lequel les atomes (13) à refroidir sont du rubidium 87, les deux niveaux fondamentaux hyperfins étant dénommés F=1 et F=2, le niveau fondamental (F0) étant le niveau F=2 et le sous-niveau Zeeman prédéterminé (Z0) étant le sous- niveau noté |F=2;mF=2>, avec F moment angulaire atomique et mF projection du moment angulaire atomique sur l’axe de quantification, et dans lequel la pluralité de fréquences est constituée de quatre fréquences (f1 , f2, f3, f4), avec :
une première fréquence (f1 ) correspondant à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=-1 > vers |F=2;mF=-2>,
une deuxième fréquence (f2) correspondant à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=0> vers | F=2 ;mF=-1 >,
une troisième fréquence (f3) correspondant à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=1 > vers |F=2;mF=0>, et
une quatrième fréquence (f4) correspondant à la fréquence de la transition |F=1 ;mF=1 > vers | F=2 ;mF=1 >.
16. Procédé de mesure (190) réalisé par un capteur à atomes froids comprenant un circuit atomique (Atc) disposé à l’intérieur de la chambre 3D ou constituant une des parois de ladite chambre 3D,
ledit procédé comprenant :
-une étape de refroidissement réalisée par le procédé (90) de refroidissement selon l’une des revendications 13 à 15,
-une étape (93) de transfert des atomes à proximité du circuit atomique avec un ascenseur magnétique,
-une étape (94) de piégeage desdits atomes sur le circuit atomique afin de les refroidir à nouveau,
-une étape (96) de mesure réalisée par des microcircuits présents sur le circuit atomique (Atc),
-une étape (98) de détection réalisée à l’aide d’un faisceau laser de détection qui illumine lesdits atomes 3D situés à proximité du circuit atomique.
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