Le contrôle des particules quantiques isolées (2)

Résumé

La deuxième leçon a décrit les premières années de l’électrodynamique quantique en cavité avec des atomes de Rydberg, depuis les expériences de spectroscopie microonde des états de Rydberg des atomes alcalins dans les années 1970, jusqu’à la réalisation des premières études en couplage fort entre atomes et photons au début des années 1990. Dans cette période, l’accent était principalement mis sur la modification des propriétés radiatives d’atomes dans un espace confiné par des parois réfléchissantes. Les méthodes permettant la manipulation et l’étude des atomes interagissant avec des photons isolés dans des cavités, qui ont conduit par la suite aux expériences d’information quantique et de tests de la théorie de la mesure et de la décohérence, ont été mises au point au cours de cette période.

Les premières expériences effectuées à l’ENS après le retour de Stanford du titulaire de la chaire ont porté sur l’étude spectroscopique des atomes de Rydberg des atomes alcalins. La leçon a rappelé les principales propriétés de ces atomes très excités, de très grande dimension spatiale, leur préparation par excitation laser en échelon et leur détection par ionisation sélective à l’aide d’un champ électrique. L’originalité des expériences de l’ENS par rapport aux nombreuses autres études réalisées à la même époque dans d’autres laboratoires était de coupler ces atomes à des champs microonde pour étudier en détail les transitions entre niveaux de Rydberg voisins. Ces études ont permis d’établir une carte détaillée de ces niveaux et de mesurer avec précision leurs défauts quantiques, paramètres décrivant l’effet perturbateur du cœur de l’atome sur son électron de valence porté dans une orbite de Rydberg.

La leçon a décrit le montage simple permettant d’effectuer ces études de spectroscopie microonde. Les atomes excités traversaient une cavité formée de deux miroirs se faisant face, dans laquelle la microonde était appliquée, avant de sortir de la cavité et d’être détectés par ionisation. Au cours de ces expériences, il est apparu que les atomes, s’ils étaient initialement portés dans le niveau excité d’une transition résonante avec un mode de la cavité, effectuaient spontanément, sans application de microonde extérieure, une transition vers le niveau de Rydberg inférieur de la transition. Le système constituait alors un maser très particulier, dont le seuil était très bas. Alors que des masers ordinaires ne peuvent osciller qu’avec un milieu amplificateur contenant des milliards d’atomes, quelques centaines d’atomes deRydberg suffisaient à assurer l’émission d’une impulsion de microonde dans la cavité. Ce seuil très bas était dû à la très grande valeur du dipôle électrique de ces atomes et il est apparu, dès ce moment, que l’on pourrait réaliser un système dans lequel le maser aurait un seuil correspondant à un seul atome présent dans la cavité. L’effet pouvait également être vu comme une exaltation de l’émission spontanée d’un atome induite par la présence de la cavité, un effet qui avait été prédit théoriquement en 1946 par Edward Purcell, l’un des pères de la résonance magnétique.

Pour observer cet effet, il fallait cependant augmenter le facteur de qualité de la cavité. Une première étape dans cette direction a été de remplacer les miroirs, originellement en cuivre, par du niobium supraconducteur. Le seuil du maser à atomes de Rydberg a été rapidement abaissé jusqu’au moment où l’effet d’exaltation de l’émission spontanée a été observé pour la première fois en 1982. À la même époque, le groupe de D. Kleppner observait au MIT l’effet inverse, celui de l’inhibition de l’émission spontanée d’un atome dans une cavité ne supportant pas de mode à la fréquence de la transition atomique. Ces expériences ont été les actes de naissance effective de l’électrodynamique en cavité. En parallèle de ces expériences, le groupe de l’ENS a également réalisé des expériences de superradiance, dans lesquelles l’émission dans une cavité résonnante d’un grand nombre d’atomes initialement excités était étudiée. L’évolution collective de l’échantillon atomique a été analysée en détail dans une série d’expériences constituant la première étude expérimentale de l’effet du couplage symétrique d’un ensemble d’atomes à un mode du champ, un effet qui avait été décrit théoriquement par R. Dicke en 1954.

À partir de l’observation de l’effet d’exaltation de l’émission spontanée en cavité, le but du groupe de l’ENS a été d’observer le régime de couplage fort atome-cavité où le photon émis par l’atome survit assez longtemps pour pouvoir être ensuite absorbé, ramenant l’atome dans son état excité. Le système atome-cavité doit alors évoluer de façon réversible, en oscillant entre deux états. L’atome et le champ échangent alors périodiquement un quantum d’énergie et se trouvent la plupart du temps dans un état intriqué. Pour observer ce régime appelé « oscillation de Rabi dans le vide » (vacuum Rabi oscillation), il fallait encore augmenter le facteur de qualité des cavités de un à deux ordres de grandeur. Cela fut obtenu pour la première fois dans le groupe concurrent de Herbert Walther à Munich, qui utilisait des cavités supraconductrices cylindriques fermées. Les expériences de ce groupe ayant conduit à la réalisation et à l’étude du micromaser à atomes de Rydberg ont été décrites dans la leçon. Le groupe de l’ENS a lui aussi adopté, pour certaines expériences, ces cavités supraconductrices cylindriques qui lui ont permis en particulier de faire fonctionner pour la première fois un maser à deux photons.

La leçon a analysé cependant les raisons qui rendent ces cavités ouvertes impropres aux expériences projetées par le groupe de l’ENS : les atomes devant passer dans des trous de petites dimensions étaient soumis à des champs électriques parasites détruisant les superpositions d’états. D’autre part, la structure des cavités fermées rendait impossible d’y appliquer aux atomes de Rydberg des champs électriques statiques nécessaires à la manipulation de ces atomes dans certaines expériences. La leçon se concluait donc sur la description des améliorations que le groupe de l’ENS a apporté aux cavités supraconductrices ouvertes pour augmenter leur facteur de qualité. Ces améliorations devaient conduire à la réalisation en 2006 d’une cavité dans laquelle les photons peuvent rebondir entre les miroirs pendant plus d’un dixième de seconde, permettant à des milliers d’atomes traversant un à un d’interagir avec le champ avant que celui-ci ne s’amortisse. Anticipant sur l’historique des expériences du groupe de l’ENS, la leçon se concluait sur la description de cette cavité de qualité exceptionnelle.