Cooling and trapping chromium atoms
Abstract:
This work comes within the scope of obtaining dipolar quantum gases : a Bose-Einstein condensate of 52Cr and a Fermi sea of 53Cr. The large magnetic moment of 6 µB in the ground state, the electronic structure in lambda-shape and the presence of a fermionic isotope made chromium attractive for experiments in the field of ultracold atoms.
The experimental setup constructed looks like a trapping experiment on a usual element. Nevertheless, specific technical solutions to operate a high-temperature oven or to generate a blue laser beam at 425.5 nm which is not modulated were chosen. Moreover, two projects which I have carried out are detailed : the temperature lock of a Fabry Perot cavity and the absorption optics system. The magneto-optical traps of 52Cr and 53Cr obtained contain respectively 4×106 and 5×105 atoms for densities of 8×1010 and 2.5×1010 cm-3. These two traps have similar characteristics : a high inelastic two-body collision rate in the range of 5×10-9 cm-3.s-1 and a one-body loss rate of 169 s-1 for the 52Cr and of 280 s-1 for the 53Cr explained by a decay towards metastable states. This latest property enables to accumulate continuously 2×107 atoms of 52Cr and 8×105 atoms of 53Cr in the quadrupolar trap formed by the coils of the magneto-optical trap. The first achievement and characterization of a simultaneous magneto-optical trap of a mixture 52Cr-53Cr is also shown.
The accumulation of bosonic metastable atoms in an optical trap superimposed to a linear magnetic trap is studied. This original trap enables to achieve the first optical trap of atoms in metastable states. In a very short time of 100 ms, the optical trap contains 1.2×106 metastable atoms with a density of 1011 cm-3. This result constitutes a fist step towards the realization of a crossed optical trap where atoms will be polarized and then cooled below the condensation threshold.
Soutenance de thèse de Arnaud Pouderous
Date: Mardi 25 juin 2007
Location: Laboratoire de Physique des Lasers, 99 av. J.B. Clément 93430 Villetaneuse France
Keywords:
Laser cooling, magneto-optical trap, magnetic trap, optical trap, chromium, cold collisions.
Jury:
- Jean-François Roch (President)
- Thomas Coudreau (Referee)
- Laurence Pruvost (Referee)
- Arnaud Landragin (Examiner)
- Anne Amy-Klein (Examiner)
- Olivier Gorceix (Supervisor)
French version:
Refroidissement et piégeage d’atomes de chrome
Ce travail s’inscrit dans la perspective d’obtenir des gaz quantiques dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le fort moment magnétique de 6 µB dans l’état fondamental, la structure électronique en lambda et la présence d’un isotope fermionique rendent en effet l’atome de chrome attractif pour des expériences d’atomes froids. Le dispositif expérimental mis en place ressemble à une expérience de piégeage sur un atome usuel. Néanmoins, des solutions technologiques spécifiques pour réaliser un four à haute température ou générer un faisceau laser à 425,5 nm non modulé ont été adoptées. De plus, deux projets que j’ai menés à bien sont détaillés : l’asservissement en température d’une cavité Fabry Perot et le système d’imagerie par absorption.
Les pièges magnéto-optiques de 52Cr et de 53Cr obtenus contiennent respectivement 4.106 et 5.105 atomes pour des densités de 8.1010 et 2,5.1010 cm-3. Ces deux pièges présentent des caractéristiques similaires : un fort taux de collisions à deux corps de l’ordre de 5.10-9 cm-3.s-1 et un taux de pertes à un corps de 169 s-1 pour le 52Cr et de 280 s-1 pour le 53Cr dû à une desexcitation vers des états métastables. Cette dernière propriété permet d’accumuler en continu 2.107 atomes de 52Cr et 8.105 atomes de 53Cr dans un piège quadripolaire formé par les bobines du piège magnéto-optique. La première obtention et caractérisation d’un piège magnéto-optique mixte d’un mélange 52Cr-53Cr est aussi exposée.
L’accumulation d’atomes bosoniques métastables dans un piège optique superposé à un piège magnétique linéaire est étudiée. Ce piège original permet de réaliser le premier piège optique d’atomes dans des états métastables. En un temps très rapide de 100 ms, le piège optique contient 2.106 atomes métastables avec une densité de 1011 cm-3. Ce résultat constitue une première étape vers l’obtention d’un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.