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Optical traps for ultracold metastable Helium atoms

Soutenance de thèse de Juliette Simonet

Lundi 14 Mars à 14h en salle E314 à l’Ecole Normale Supérieure (24 rue Lhomond)

Thèse réalisée au Laboratoire Kastler Brossel sous la direction de Michèle LEDUC

Résumé :

Les thématiques abordées dans ce mémoire illustrent deux spécificités des gaz ultrafroids d’Hélium métastable. D’une part la simplicité de la structure atomique permet des évaluations théoriques précises, dont la comparaison avec des données expérimentales fournit une meilleure compréhension de la QED. D’autre part la grande énergie interne de He* offre une méthode de détection unique via les ionisations Penning.

Cette thèse présente la construction et la caractérisation d’un nouveau piège magnétique offrant un large accès optique et permettant ainsi de combiner la production d’un condensat de Bose-Einstein et son chargement in situ dans un réseau optique 3D.

Les fondements théoriques des expériences prévues dans ces potentiels optiques sont ensuite détaillés. Dans un piège dipolaire croisé, l’influence du champ magnétique, devenu un paramètre libre, sur les taux de collisions Penning peut être mesurée et comparée à une nouvelle évaluation théorique. Concernant l’Hélium dans des réseaux optiques, deux sujets sont développés : l’effet du confinement sur les collisions inélastiques Penning (réseau 1D), ainsi que la modélisation des pertes Penning dans un modèle de Bose-Hubbard dissipatif (réseau 3D).

Enfin, nous présentons la première mesure directe de la transition dipolaire magnétique 23S1→ 23P2, liant les familles singulet et triplet de 4He. Cette expérience de spectroscopie, réalisée dans le groupe de W. Vassen (LaserLAB Amsterdam), allie le domaine des atomes froids aux techniques des peignes de fréquences, afin d’obtenir une précision de 5 kHz.

Summary :

This manuscript focuses on two particularities of ultracold metastable Helium gases. On one hand the simplicity of the atomic structure allows for very precise theoretical evaluations, which if compared with accurate experimental data provide a deeper understanding of QED. On the other hand the very high internal energy yields a unique detection scheme through Penning ionizations.

The thesis presents the design, setup and characterization of a novel magnetic trap with large optical access, allowing to combine the production of a Bose-Einstein condensate with its in situ loading into a 3D optical lattice.

The theoretical fundaments of the experiments planned in those optical potentials are also detailed. In a crossed dipole trap, the influence of the magnetic field, being a free parameter, on the Penning collision rates can be measured and compared with a new theoretical evaluation. Concerning Helium in optical lattices, two subjects are developed : the effect of the confinement on the inelastic Penning collisions (1D optical lattice) and the modeling of the Penning losses via a dissipative Bose-Hubbard model (3D lattice).

Finally we present the first direct measurements of the dipolar magnetic transition 23S1→ 23P2, linking the singlet and triplet families in 4He. This spectroscopy experiment, which was realized in the group of W. Vassen (LaserLab Amsterdam), combines experiences in cold atoms with the frequency comb technique, in order to reach an accuracy of 5 kHz.


Post-scriptum :

Laboratoire Kastler-Brossel
Ecole Normale Supérieure
24 rue Lhomond
75005 PARIS

email : simonet lkb.ens.fr
phone : 0033 1 44 32 33 01


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