Manipulation des atomes par la lumière : les atomes froids

Le refroidissement et le piégeage des atomes par la lumière laser ont connu un développement considérable au cours des trente dernières années. D’abord conçues dans le but d’augmenter la précision des mesures spectroscopiques en diminuant – voire supprimant – l’effet Doppler, les méthodes de manipulation des atomes par la lumière ont conduit à bien d’autres applications, incluant en particulier la préparation et l’étude des nouvelles phases quantiques de gaz ultra-froids (condensats de Bose Einstein et gaz de Fermions dégénérés). La deuxième leçon du cours rappelle le principe des méthodes de refroidissement et de piégeage des atomes par laser et certaines des applications qui en sont faites, à l’exclusion des études sur les gaz quantiques ultra-froids, qui sont décrites dans la leçon suivante. Dans une première partie, la nature des forces radiatives est rappelée, en distinguant la contribution dissipative (liée à la pression de radiation) et la contribution réactive (liée aux déplacements lumineux des énergies atomiques ou « light shifts »). Les mécanismes qui utilisent ces forces pour ralentir les atomes sont ensuite rappelés. Le refroidissement à la limite dite Doppler (permettant d’atteindre des températures de quelques centaines de microdegrés Kelvin) et le principe des mélasses optiques sont analysés ainsi que le refroidissement sub-Doppler par effet Sisyphe, qui combine de façon corrélée les effets de la force réactive et du pompage optique sur les atomes, et qui permet de diminuer la température des atomes jusqu’au niveau du microdegré Kelvin. La leçon se poursuit par la description des pièges pour atomes neutres, qu’il s’agisse de pièges lumineux exploitant la pression de radiation (pièges magnéto-optiques MOT) ou la force dipolaire dispersive (puits simples ou réseaux périodiques de puits, pinces optiques permettant de déplacer les atomes, pièges dans l’onde évanescente au voisinage de microstructures ou de nanostructures transparentes). Les pièges magnétiques des atomes paramagnétiques froids en absence de lumière sont également décrits. Des expériences d’optique atomique sont ensuite décrites, dans lesquelles les atomes froids sont réfléchis ou diffractés par des ondes lumineuses : miroirs à atomes réalisés par des ondes évanescentes sur lesquels les atomes rebondissent, lames semi-réfléchissantes de lumière formées par des faisceaux laser contra-propageant… La dernière partie de la leçon montre comment ces éléments d’optique atomique sont combinés pour réaliser des interféromètres atomiques permettant de construire des gravimètres et gyromètres extrêmement sensibles.