L'idée de refroidir des atomes à l'aide de la pression de radiation a été proposée pour la première fois en 1975 par Hänsch et Schawlow pour les atomes neutres [1] et indépendamment par Wineland et Dehmelt pour les ions piégés [2]. D'autres propositions d'utiliser la lumière pour piéger les atomes avaient aussi été émises quelques années auparavant [3,4]. Les premières expériences de refroidissement d'atomes neutres ont été réalisées en 1982 par Phillips et Metcalf [5]. Depuis, la science du refroidissement d'atomes par laser a évolué de façon spectaculaire donnant un contrôle sans précédent du mouvement atomique [6]. Il est devenu possible d'effectuer de la spectroscopie sur des atomes neutres ayant des vitesses de l'ordre du centimètre par seconde, ce qui augmente le temps d'observation d'au moins deux ordres de grandeur par rapport à une vapeur thermique, tout en réduisant le décalage de fréquence dû à l'effet Doppler. Avec des vitesses aussi faibles, les atomes tombent sous l'effet de la gravitation, et par conséquent il est naturel de choisir une géométrie de fontaine pour maximiser le temps d'observation. Ceci donna naissance à une nouvelle génération d'horloges atomiques utilisant une fontaine d'atomes de césium froids [7].

Notre groupe participe à cet effort international en développant les uniques horloges à fontaine continues FOCS-1 et FOCS-2 pour l'office fédéral de métrologie METAS [8,9]. L'utilisation d'un jet continu donne l'avantage de réduire considérablement la limitation due à l'effet Dick qui est liée au fonctionnement pulsé [10,11]. Toutefois, il est important de souligner que toutes les autres horloges à fontaine développées dans d'autres laboratoires fonctionnent en mode pulsé : les atomes sont séquentiellement refroidis, lancés verticalement vers le haut, puis interrogés durant leur vol balistique avant que le cycle recommence [7]. Ainsi, notre groupe a consacré un effort important à la recherche sur le refroidissement d'atomes par laser pour développer un ensemble de techniques qui permettent de produire des jets continus et intenses d'atomes froids. Les premiers jets continus ont été produits à partir d'une mélasse optique, tout d'abord par extraction magnétique [12], puis à l'aide d'une mélasse mouvante [13]. Toutefois, la température résiduelle du jet en sortie de mélasse (75 µK) provoque une divergence de la fontaine, ce qui réduit considérablement le flux utile. Nous avons donc développé plusieurs techniques de collimation pour réduire la température transverse à l'aide d'un réseau optique bidimensionnel [14], en particulier l'optimisation du refroidissement Sisyphe [15], le refroidissement Raman sideband dégénéré [16], et le refroidissement induit par un champ magnétique [17]. Une autre étape importante a été le développement d'une pré-source très intense d'atomes lents [18] qui permet d'alimenter la mélasse mouvante de façon très efficace et ainsi de produire des jets plus intenses. Ce piège magnétique bidimensionnel a fait l'objet d'une étude récente conduisant à plusieurs améliorations et par conséquent à une augmentation du flux utile [19]. L'ensemble de ces techniques de refroidissement qui permettent de produire des jets continus intenses a été résumé dans un article de revue [20].

Actuellement, notre recherche se concentre sur la préparation du jet de césium froid dans l'état F=3, m=0 qui est utilisé pour interroger la transition d'horloge dans la fontaine FOCS-2. Une étude préliminaire a montré qu'il devrait être possible de réaliser un pompage optique à deux lasers dans un réseau optique désaccordé afin d'effectuer cette préparation tout en refroidissement les atomes, ou du moins sans les réchauffer. Cette expérience est actuellement en cours dans notre laboratoire.

Résultats récents sur la préparation d'état, présentés à la Swiss Physical Society 2010.

Références bibliographiques

[1]    T. Hänsch, and A. Schawlow, "Cooling of gases by laser radiation", Opt. Comm. 13, 68 (1975).
[2]    D. Wineland, and H. Dehmelt, "Proposed 10 ¹⁴ Dn<n laser fluorescence spectroscopy on
        TI ⁺ mono-ion oscillator III", Bull. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975).
[3]    A. Ashkin, "Acceleration and trapping of particles by radiation pressure", Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970).
[4]    V.S. Letokhov, Comments At. Mol. Phys. 6, 119 (1977) and references therein.
[5]    W. Phillips, and H. Metcalf, "Laser deceleration of an atomic beam", Phys. Rev. Lett. 48, 596 (1982).
[6]    W. Phillips, "Laser cooling and trapping of neutral atoms", Rev. Mod. Phys.70, 721, (1998).
[7]    R. Wynands and S. Weyers, "Atomic fountain clocks", Metrologia 42, 64 (2005).
[8]    A. Joyet, G. Di Domenico, P. Thomann, G. Dudle, "An alternative approach to primary Cs frequency standards",
        Proceedings of the 22th European Frequency and Time Forum, Toulouse, France (2008).
[9]    A. Joyet, G. Di Domenico, G.K. Gulati, P. Thomann, A. Stefanov, "Status of the continuous cold fountain clocks at METAS-LTF",
        Proceedings of the 7th Symposium on Frequency Standards and Metrology, p.559, World Scientific (2009).
[10]  A. Joyet et al., "Theoretical study of the Dick effect in a continuously operated Ramsey resonator",
        IEEE Transactions on Instrumentations and Measurement, vol. 50, n° 1, p. 150-156 (2001).
[11]  J. Guéna, G. Dudle and P. Thomann. "An experimental study of intermodulation effects in an atomic
        fountain frequency standard". Eur. Phys. J. Appl. Phys. 388, 183 (2007).
[12]  P. Berthoud, A. Joyet, G. Dudle, N. Sagna, and P. Thomann. "A continuous beam of slow,
        cold cesium atoms magnetically extracted from a 2D magneto-optical trap". Europhys. Lett. 41, p.141 (1998).
[13]  P. Berthoud, E. Fretel, and P. Thomann,"Bright, slow, and continuous
        beam of laser-cooled cesium atoms", Phys. Rev. A 60, p.4241R (1999).
[14]  G. Di Domenico, N. Castagna, M.D. Plimmer, P. Thomann, A.V. Taichenachev, and V.I. Yudin,
        "On the stability of optical lattices", Laser Physics 15, 12, 1674-1679 (2005).
[15]  G. Di Domenico, "Collimation d'un jet continu d'atomes de césium par refroidissement laser", Université de Neuchâtel (2004).
[16]  G. Di Domenico, N. Castagna, G. Mileti, P. Thomann, A.V. Taichenachev, and V.I. Yudin, "Laser collimation of a continuous beam
        of cold atoms using Zeeman-shift degenerate-Raman-sideband cooling", Phys. Rev. A 69, 063403 (2004).
[17]  M.D. Plimmer, N. Castagna, G. Di Domenico, P. Thomann, A.V. Taichenachev, and V.I. Yudin,
        "2D Laser Collimation of a Cold Cs Beam Induced by a Transverse B Field", JETP Letters 82(1), 17-21 (2005).
[18]  N. Castagna, J. Guéna, M.D. Plimmer, P. Thomann, "A novel simplified two-dimensional magneto-optical trap
        as an intense source of slow cesium atoms", Eur. Phys. J., Appl. Phys. 34, 21 (2006).
[19]  L. Devenoges, G. Di Domenico, P. Thomann, "Generation of an Intense and Slow Caesium Atomic Beam with
        a Two-Dimensional Magneto-Optical Trap (2D-MOT)", Poster contribution to the Joint Annual Meeting of ÖPG, SPS and ÖGAA,
        Swiss Physical Society,  September 2-4, 2009, Innsbruck (Austria).
[20]  P. Thomann, M. Plimmer, G. Di Domenico, N. Castagna, J. Guéna, G. Dudle, F. Füzesi,
        "Continuous beams of cold atoms for space applications", Applied Physics B, 84(4), 659 (2006).