(J. Cubizolles, T. Bourdel, L. Khaykovich, M. Teichmann, J. McKeever, L. Tarruell, J. Zhang, S. Kokkelmans, F. Chevy, C. Salomon)
Depuis leur première observation en 1995, l'étude des gaz de bosons dégénérés (Condensat de Bose Einstein, BEC) est devenu un champ de recherche extrêmement actif. L'étude de leurs modes d'excitation, de leurs propriétés de cohérence, et de leurs interactions avec la lumiére a donné lieu a de nombreux résultats surprenants (voir, par exemple, l'expérience des tourbillons quantiques dans les condensats par nos collègues de l'ENS). De nouvelles méthodes visant à produire et à manipuler les BEC sont en cours de développement dans de nombreuses équipes.
Nous avons produit des solitons brillants dans un gaz de 7Li ultra-froid. L'interaction effective entre les atomes dans un condensat Bose-Einstein est variée de repulsive à attractive en utilisant une resonance de Feshbach. Le condensat est ensuite mis dans un guide d'ondes optique. On observe la propagation d'un soliton sans dispersion sur un distance de 1,1mm. [4]
Propagation d'un soliton brillant
Nous avons créé des molecules faiblement liées dans un gaz de Fermi à deux composantes en changeant le champ magnétique à travers une résonance de Feshbach. L'efficacité de la conversion atom-molécules atteint 85%, et a été étudiée en fonction du champ magnétique et de la température initiale des fermions. Les molécules bosoniques restent piégées 0,5s, une durée de vie remarquable en comparaison de celle des bosons au voisinage d'une résonance de Feshbach. Ces résultats sont reproduit qualitativement par un modèle théorique. [2]
Efficacité de production des molécules en fonction de la profondeur du piège
Nous avons ensuite produit un condensat Bose-Einstein des molécules 6Li2 faiblement liées dans un piège optique croisé proche d'une résonance de Feshbach. Nous avons mesuré la longueur de diffusion molécule-molécule qui vaut 170 nm à 770G. Ce résultat est en bon accord avec la prédiction théorique. [1]
Condensat de molécules de 6Li2 (a) et d'atomes de 7Li initialement confinés dans le même piège optique. Images en expansion après 1.2 ms (a) et 1.4 ms (b) suivant la direction faible du piège. La plus grande largeur du condensat de 6Li2 reflète une plus grande longueur de diffusion. Pour 6Li2, a=170 nm à gauche et pour 7Li, a= 0.6 nm.
Nous avons ensuite étudié l'expansion du nuage dans la région de transition d'un condensat de Bose-Einstein de fermions fortement liés vers le régime de paires de Cooper (a<0) dit régime BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer). Au voisinage de la résonance le paramètre na3 excède l'unité, on a donc des fermions fortement correlés, ou les théories de champs moyen ne sont plus applicables.
Distributions en temps de vol dans la région de la transition BEC-BCS. Les points indiquent la position de la résonance de Feshbach (835 G). A gauche profil de densité suivant la direction de faible confinement, à droite suivant la direction de fort confinement radial.
La première étape de notre montage repose sur un jet d'atomes de lithium ralenti par un laser contre propageant dans un ralentisseur Zeeman à renversement de spin (spin-flipped Zeeman slower). Ce jet permet d'alimenter un piège magnéto-optique (PMO) par les deux isotopes du lithium. Il comporte 1010 atomes de 7Li (boson) et 5 108 atomes de 6Li (fermion). Ce mélange est ensuite transféré dans un piège magnétique.
La configuration de notre piège magnétique n'est pas standard. En effet, dans ce type d'expérience, le piège magnéto-optique et le piège magnétique sont traditionnellement dans la même chambre à vide. Pour obtenir un PMO avec un grand nombre d'atomes, il est en effet nécessaire d'avoir des faisceaux laser de grandes dimensions (2.5 cm de diamètre). Cette contrainte fixe la taille minimale de la chambre à vide. Par ailleurs, pour réaliser de grands gradients de champ magnétique, il faut que l'espacement entre les bobines qui engendre ces champs soit le plus petit possible. Pour répondre à ces deux contraintes nous avons séparés spatialement la région du PMO de celle du piège magnétique. La chambre à vide est constituée d'une cellule comportant un petit appendice pour le piège magnétique. Les atomes sont transférés de l'un à l'autre par un ascenceur magnétique : les atomes du PMO sont dans un premier temps transférés dans un piège quadrupolaire (avec une efficacité de 30 %), on branche ensuite progressivement un second piège quadrupolaire dont le centre coïncide avec la position finale du piège magnétique. La contribution du premier quadrupole est ensuite éteinte. Il est ainsi possible de modifier la position du centre du piège quadrupolaire du PMO jusqu'au piège magnétique. Après avoir atteint leur position finale, les atomes sont placés dans un piège magnétique de type Ioffe-Pritchard. La seconde paire de bobines quadrupolaires, initialement utilisée dans l'ascenceur magnétique, est à nouveau exploité mais en configuration Helmholtz cette fois-ci afin de compenser le grand champ magnétique statique engendré par les bobines "pinch".
Après ces différentes étapes, nous disposons de 6 108 d'atomes de l'isotope bosonique du lithium à une température de 3 mK. Cette température est trop importante pour commencer le refroidissement par évaporation car la section efficace de collision entre atomes 7Li-7Li dépend de l'énergie relative est s'annule au voisinage de 4 mK. Ainsi, ce refroidissement ne peut fonctionné à 3mK. On refroidit dans un premier temps les atomes en dessous de 1 mK grâce à un refroidissement Doppler effectué dans le piège Ioffe. Pour éviter que les atomes soient pompés dans un état non piégé, le pompage s'effectue en présence d'un champ magnétique de 450 Gauss et nous utilisons un faisceau laser polarisé circulairement d'axe de propagation parallèle au champ magnétique. Ceci permet de réaliser un refroidissement unidimensionnel dans la direction axiale du piège magnétique. Les anharmonicités du potentiel piégeant permettent un mélange ergodique des atomes et assurent ainsi le refroidissement selon les autres directions.
Pour initier le refroidissement par évaporation tout en maintenant les basses températures obtenues grâce au refroidissement Doppler, nous augmentons progressivement le confinement du piège tout en évaporant les atomes, et ce jusqu'à atteindre la compression maximale du gaz. Au terme de cette étape, il reste 2 108 atomes à une temperature de 1 mK dans un piège dont la fréquence axiale est de 75 Hz et les fréquence transverses de 2,5 kHz. A ce stade le taux de collisions élastiques est de 10 par secondes, à titre indicatif la durée de vie des atomes est de 140 secondes. Les conditions sont désormais favorables pour amorcer le refroidissement par évaporation. Le régime de dégénérescence quantique est atteint après 45 secondes, il reste alors 105 atomes à une température de 1 µK.
Pour refroidir l'isotope fermionique 6Li., nous utilisons le refroidissement sympathique : Ceci nécessite de piéger simultanément les deux isotopes le 6Li et le 7Li, puis de refroidir évaporativement le 7Li. Les collisions entre isotopes assurent le refroidissement de l'isotope fermionique. Les atomes sont ensuite transférés dans un piège dipolaire croisé ou un mélange d'états de spins est produit.
[1] P-wave Feshbach resonances of ultracold 6Li, J. Zhang, E.G.M. van Kempen, T. Bourdel, L. Khaykovich, J. Cubizolles, F. Chevy, M. Teichmann, L. Tarruell, S.J.J.M.F. Kokkelmans, C. Salomon, Phys. Rev. A, 70, 030702 (2004)
[2] Experimental Study of the BEC-BCS Crossover Region in Lithium 6, T. Bourdel, L. Khaykovich, J. Cubizolles, J. Zhang, F. Chevy, M. Teichmann, L. Tarruell, S. Kokkelmans, C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 93, 050401 (2004)
[3] Weakly bound dimers of fermionic atoms, D.S Petrov, C. Salomon, G.V Shlyapnikov, Phys. Rev. Lett. 93, 090404 (2004)
[4] Degenerate atom-molecule mixture in a cold Fermi gas, S.J.J.M.F. Kokkelmans, G.V. Shlyapnikov, C. Salomon, Phys. Rev. A 69 031602(R) (2004)
[5] Production of Long-Lived Ultracold Li2 Molecules from a Fermi Gas, J. Cubizolles, T. Bourdel, S. Kokkelmans, G. Shlyapnikov, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 91, 240401 (2003).
[6] Formation of a Matter-Wave Bright Soliton, L. Khaykovich, F. Schreck, G. Ferrari, T. Bourdel, J. Cubizolles, L. D. Carr, Y. Castin, C. Salomon, Science 296, 1290-1293 (2002)
[7] Quasipure Bose-Einstein Condensate Immersed in a Fermi Sea F. Schreck, L. Khaykovich, K. L. Corwin, G. Ferrari, T. Bourdel, J. Cubizolles, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 87, 080403 (2001)
Christophe Salomon
Laboratoire Kastler Brossel
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