Cette habilitation porte sur une série d'expériences faites avec comme leitmotiv la condensation de Bose-Einstein à deux dimensions. Pour confiner très fortement les atomes dans une direction, nous avons utilisé deux approches différentes. Dans un premier temps, nous avons projeté d'utiliser deux champs évanescents, ce qui permet de réaliser des gradients de champ très importants. Avec cet objectif, nous avons produit un condensat et mis au point une méthode de transfert vers le piège à ondes évanescentes. La production d'un condensat à 3 mm seulement d'une surface a constitué une première. Nous avons réalisé une série d'expériences impliquant une seule onde évanescente, qui ont montré que la surface du diélectrique présentait une rugosité trop importante pour confiner efficacement les atomes en dimension 2. Cette étude nous a permis en revanche de caractériser très précisément l'interaction entre les atomes et le champ diffusé par les défauts de surface. Nos expériences ont confirmé quantitativement la théorie de Carsten Henkel et al., ce qui est un point important pour les expériences, de plus en plus nombreuses, menées à proximité directe d'une surface. Nous avons également montré que la diffraction était toujours clairement observable malgré la forte diffusion, lors du rebond d'un condensat sur un miroir modulé.<br /><br />Dans un second temps, sur la proposition d'Oliver Zobay et Barry Garraway, nous avons mis au point une nouvelle approche pour confiner les atomes dans des potentiels très anisotropes. La combinaison d'un champ radiofréquence (RF) et d'un champ magnétique statique résulte en un potentiel adiabatique dont la géométrie peut être largement contrôlée, y compris dynamiquement. Ces potentiels RF permettent de réaliser une « bulle » à atomes, un double puits, un anneau... Nous nous sommes intéressés principalement à produire un piège quasi bidimensionnel dans l'épaisseur de la bulle. Ces pièges sont compatibles avec les condensats de Bose-Einstein, et les atomes peuvent être refroidis par évaporation in situ. Nos premières expériences impliquant des champs radiofréquence ont eu un impact important dans la communauté des atomes froids, en particulier pour les expériences sur puce. A la suite de nos travaux, de nombreuses équipes ont utilisé cette technique avec succès.

Dans cette thèse, nous présentons une recherche expérimentale détaillée des lois caract érisant la taille et la densité atomique de grands pièges magnéto-optiques contenant typiquement 10^10 atomes. Il est bien connu que les interactions induites par laser, produites par la diffusion multiple, y constituent la limitation principale à l'obtention de densités atomiques élevées. Pour contourner cette limite, nous avons réalisé un piège magnéto-optique 'noir' combiné un piège dipolaire. Les forces de répulsion assistées par la lumière ont ainsi pu être considérablement réduites et une augmentation de près de deux ordres des grandeur sur le densité (jusqu'à 10^12 atm/cm^3) a été corrélativement observée. Nous avons proposé également un modèle qualitatif pour rendre compte de la densité atomique (et également pour la taille) o`u nous avons introduit les interactions mécaniques induites par les photons du laser repompeur quand son épaisseur optique devient importante. Ce travail fait partie d'un projet de recherche qui vise à terme à observer la localisation d'Anderson de la lumière dans des nuages d'atomes froids, mais pour laquelle des densités de l'ordre (10^13-10^14 atm/cm^3) sont requises. Pour des densités inférieures, des mécanismes de gain peuvent toutefois être mis à profit pour amplifier des modes pre-localisés. Nous avons, ainsi, mis en place une technique pompe-sonde pour la création d'un gain dans l'échantillon atomique. La configuration des pompes a autorisé l'observation du signal de mélange a quatre ondes. Une analyse détaillée de ses propriétés et de ses caractéristiques a été présentée. En particulier, une asymétrie rouge-bleu dans le spectre, pour des intensités élevées des faisceaux pompes, a été mise en évidence. Cette asymétrie a pu tre expliquée en tenant compte du regroupement des atomes dans les noeuds ou dans les ventres de l'onde stationnaire des faisceaux de pompe.

In der vorliegenden Arbeit wird die erstmalige Erzeugung eines<br />Bose-Einstein-Kondensates in einer Mikrochip-Falle beschrieben; dies ist eine Magnetfalle für Neutralatome, die mithilfe stromführender Leiterbahnen auf einem Chipsubstrat gebildet wird. Die Eigenschaften dieser Chipfallen, speziell die hohen<br />Magnetfeldgradienten und -krümmungen, haben es ermöglicht, die<br />Bose-Einstein-Kondensation in weniger als einer Sekunde Verdampfungskühlzeit zu erreichen, was rund eine Größenordnung schneller als in bisher verwendeten Magnetfallen ist<br />und ein Faktor drei schneller als auf dem bisher schnellsten Weg in einer optischen Dipolfalle. Damit verbunden sind die Ansprüche<br />an den experimentellen Aufbau, insbesondere das Vakuumsystem und<br />den Laseraufbau, deutlich gesunken.<br /><br />Weiterhin wird der zerstörungsfreie Transport des Bose-Einstein-Kondensats entlang der Chipoberfläche über makroskopische Distanzen demonstriert wie auch erstmalig die Aufspaltung eines Kondensates in zwei getrennte Kondensate mit rein magnetischen Mitteln.<br /><br />Diese Resultate, nämlich kohärente Materie in einem integrierten<br />atomoptischen System manipulieren zu können, lassen hoffen, daß in<br />naher Zukunft Anwendungen wie Atominterferometrie, Untersuchungen<br />zu niederdimensionalen Quantengasen und<br />Quanteninformationsverarbeitung 'on-chip' verwirklicht werden<br />können.

La définition de la seconde est basée sur l'atome de césium. A ce jour, les meilleures horloges sont des fontaines à atomes froids de césium. Elles réalisent la seconde avec une exactitude de 10^{-15}. Leur stabilité, limitée de manière ultime par le bruit de projection quantique, vaut typiquement 6 x 10^{-14}\tau^{-1/2} pour 4 x 10^5 atomes détectés, et atteint 6 x 10^{-16} en 3 heures d'intégration. Dans ces conditions, les interactions entre atomes froids déplacent la fréquence de l'horloge d'environ 3 x 10^{-14}. Ce déplacement est techniquement difficile à corriger au niveau de quelques 10^{-16}. Ce travail de thèse montre que l'utilisation du ^{87}Rb est une alternative intéressante au Cs, puisque son déplacement collisionnel est près de 100 fois plus petit. Dans un premier temps, nous caractérisons les performances de la fontaine à ^{87}Rb construite pendant ce travail de thèse. Puis, nous modélisons les effets dépendant du nombre d'atomes dans les fontaines : le déplacement collisionnel et l'entraînement de fréquence par la cavité micro-onde. Ces deux effets sont<br />mesurés simultanément par une méthode différentielle. La modélisation de l'évolution du nuage atomique dans la fontaine permet de confronter nos mesures avec les prédictions théoriques sur les longueurs de diffusion en onde "s". Par ailleurs, la comparaison des fréquences hyperfines du Rb et du Cs dans des fontaines indépendantes nous a permis de réaliser un test de la dérive de la constante de structure fine \alpha au niveau de <br />7 x 10^{-15}.an^{-1}. Afin d'améliorer ce test, nous avons construit une fontaine pouvant fonctionner simultanément au Rb et au Cs. Les améliorations techniques apportées sur cette<br />horloge, conjointement à une nouvelle procédure de mesure du déplacement collisionnel du Cs, devraient permettre d'explorer la gamme d'exactitude des 10^{-16} pour ces deux alcalins.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale des phénomènes de transport dans les réseaux optiques d'atomes froids, en particulier les réseaux dits ‘brillant' dans lesquels les atomes piégés diffusent la lumière. Les principaux phénomènes de transport étudiés sont la diffusion spatiale et les modes de propagation appelés modes Brillouin. Les méthodes utilisées sont la spectroscopie pompe-sonde, que nous avons utilisée dans deux configurations différentes, la méthode des résonances induites par le recul pour les mesures de températures et l'imagerie du nuage d'atomes refroidis pour l'étude de la diffusion spatiale et des modes de propagations.<br />Les modes de propagation Brillouin, détectés jusqu'ici par spectroscopie pompe-sonde, ont été pour la première visualisés directement par imagerie : soit par une augmentation de la diffusion spatiale, soit par un déplacement du nuage atomique dans la direction d'excitation.<br />L'étude de la diffusion spatiale pour différentes géométries du réseau a montré d'une part l'anisotropie de la diffusion dans un réseau périodique, et d'autre part que la diffusion dépend fortement de la périodicité du réseau. Une étude sur la température menée en parallèle montre que la température en revanche ne dépend pas de la périodicité du réseau mais seulement de la profondeur des puits.<br />Enfin, nous avons montré que la relation proposée jusqu'ici pour relier la largeur de la résonance centrale des spectres pompe-sonde (résonance Rayleigh) à la diffusion spatiale n'est pas vérifiée dans notre réseau. Des études expérimentales pour vérifier si la largeur de cette résonance peut être reliée au taux de relaxation de la distribution de vitesse sont également présentées.

Le degrè d'oxydation (+III) du palladium a étét mis en évidence dans des composés fluorés de structures dérivant de KBRF4 et de l'elpasolite K2NAALF6. Ce nouveau degrè d'oxydation a été caractérisé par RPE, mesures magnétiques et spectroscopie XPS. Les processus dynamiques intervenant lors des transitions de phases dans la structure elpasolite on été précisés par diffusion Raman et mesures calorimétriques

<p>Since the inception of hyperpolarized 129Xe MRI, the field has yearned for more efficient production of more highly polarized 129Xe. For nearly all polarizers built to date, both peak 129Xe polarization and production rate fall far below theoretical predictions. This thesis sought to develop a fundamental understanding of why the observed performance of large-scale 129Xe hyperpolarization lagged so badly behind theoretical predictions.</p><p> This is done by thoroughly characterizing a high-volume, continuous-flow polarizer using optical cells having three different internal volumes, and employing two different laser sources. For each of these 6 combinations, 129Xe polarization was carefully measured as a function of production rate across a range of laser absorption levels. The resultant peak polarizations were consistently a factor of 2-3 lower than predicted across a range of absorption levels, and scaling of production rates deviated badly from predictions based on spin exchange efficiency.</p><p> To bridge this gap, we propose that paramagnetic, activated Rb clusters form during spin exchange optical pumping (SEOP), and depolarize Rb and 129Xe, while unproductively scattering optical pumping light. When a model was built that incorporated the effects of clusters, its predictions matched observations for both polarization and production rate for all 6 systems studied. This permits us to place a limit on cluster number density of <2 × 109 cm-3.</p><p> The work culminates with deploying this framework to identify methods to improve polarization to above 50%, leaving the SEOP cell. Combined with additional methods of preserving polarization, the polarization of a 300-mL batch of 129Xe increased from an average of 9%, before this work began, to a recent value of 34%.</p><p> We anticipate that these developments will lay the groundwork for continued advancement and scaling up of SEOP-based hyperpolarization methods that may one day permit real-time, on-demand 129Xe MRI to become a reality.</p> / Dissertation

Neste trabalho apresentamos a produção de moléculas frias heteronucleares em uma armadilha magneto-óptica mista de 39K e 85Rb e detectadas no estado fundamental. A técnica de detecção consiste na fotoionização pulsada das moléculas que, após terem sido fotoassociadas, decaem através de emissão espontânea para estados ligados do potencial do estado molecular fundamental. A partir dos resultados da produção de moléculas frias KRb, estudamos-as com relação ao tipo de colisões que as originam, e à temperatura associada ao seu movimento translacional. Experimentos foram também realizados para comprovar que as moléculas detectadas são provenientes do estado fundamental. Finalmente, também estudamos neste trabalho, a taxa segundo a qual são formadas. Concomitantemente à produção de KRb, moléculas frias homonucleares 39K2 e 85Rb2 são também formadas, detectadas e caracterizadas. São apresentados também, os primeiros passos dados em direção à realização de espectroscopia fotoassociativa dos estados ligados das moléculas heteronucleares obtidas. / In this work, cold ground-state KRb molecules were produced by photoassociation in a two species magneto-optical trap (MOT) containing 39K and 85Rb. The KRb molecules are produced through photoassociation and detected in the ground state by multiphoton pulsed ionization. We have characterized their translational temperature and measured their formation rate constant. Homonuclear cold molecules 39K2 and 85Rb2 detected in their ground state were also formed in our trap and characterized as well. It is also reported our first efforts towards the realization of photoassociation spectroscopy of the heteronuclear molecules produced in our trap.

Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2017-04-25T19:25:57Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) ACGW_Dissertação.pdf: 2393143 bytes, checksum: 1dc4bede5ad081bffd11e546c86a753a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-25T19:25:58Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) ACGW_Dissertação.pdf: 2393143 bytes, checksum: 1dc4bede5ad081bffd11e546c86a753a (MD5) Previous issue date: 2016-07-26 / CNPQ / Apresentamos um estudo da interação de um laser de femtosegundos de Ti:safira, com alta taxa de repetição, com vapor atômico de Rubídio. Trabalhamos no regime de acumulação coerente, em que o tempo de relaxação dos átomos do meio é maior que o tempo entre os pulsos. Para sondar a excitação produzida pelo laser pulsado sobre os vários grupos de velocidades atômicos usamos um laser contínuo de diodo. Estudamos a transmissão do laser de diodo em função de sua frequência, na presença e na ausência do laser pulsado, quando ambos os lasers estão sintonizados na transição 5S1=2 !5P3=2. Os resultados experimentais mostram que a transmissão do laser de diodo aumenta ou diminui dependendo do modo do pente de frequências que está interagindo com o grupo de átomos. Descrevemos os resultados experimentais trabalhando no domínio da frequência e modelando o meio atômico por um conjunto de dois sistemas de três níveis tipo L e um sistema de dois níveis, todos independentes entre si, interagindo com os modos do pente de frequência. Assim, a modelagem teórica considera os vários níveis hiperfinos e discrimina a interação com a transição cíclica do efeito de bombeio ótico, apresentado um resultado em concordância com os dados experimentais obtidos. O experimento foi realizado sem travar a taxa de repetição nem a frequência de off-set do laser de femtosegundos. / We present a study of the interaction of a high repetition rate femtosecond Ti:sapphire laser with a vapor atomic rubidium. We work on coherent accumulation regime, in which the atomic relaxation time is greater than the time interval between pulses. The action of the ultrashortpulsed laser over different atomic velocity groups is probed by a diode laser. We studied the transmission of the diode laser as a function of frequency, with and without the presence of the ultrashort-pulsed laser, when both lasers are tuned to 5S1=2!5P3=2 transition. The experimental results show that the diode laser transmission increases or decreases depending on the mode of the frequency comb that interacts with different velocity groups. The experimental results are described in the frequency domain and the atomic system is modeled by a set of two threelevel L systems and a system of two-level all independent and interacting with the frequency comb modes. The theoretical treatment considers the hyperfine transitions and distinguishes the interaction between the cyclic transitions from optical pumping effect, showing results in good agreement with the experimental data. The experiment is performed without lock repetition rate or the off-set frequency of the femtosecond Ti:sapphire laser.

Produkce hyperpolarizovaných plynů, především helia (3He) nebo xenonu (129Xe), nachází stále rostoucí rozsah aplikací v zobrazování magnetickou rezonancí (MRI). Helium ani xenon nejsou obyčejně obsaženy v těle a experimenty tedy nejsou ovlivněny nechtěným signálem z okolních tkání. Ukázalo se, že několika hyperpolarizačními technikami může být magnetická polarizace (magnetizace) jader vzácných plynů zvýšena na hladinu, se kterou jsou praktické aplikace proveditelné. Hyperpolarizované plyny mohou tedy být užitečným nástrojem pro neinvazivní zkoumání lidského dýchání, dovolující statické zobrazování během zadržení dechu nebo zkoumání dynamiky výdechu nebo nádechu, nebo funkčního zobrazování. V neživé přírodě, mohou být hyperpolarizovaný plyny využity jako kontrastní látka při studiu mikroporézních materiálů, jako jsou zeolity, stavební látky a hmoty, atd. V této doktorské práci je popsán vývoj a konstrukce aparatury pro hyperpolarizaci xenonu (izotopu 129Xe). Nákup hyperpolarizovaného xenonu od jiných výzkumných center v zahraničí a jeho dovážení by ovšem nebylo efektivní a to zejména z důvodu náročnosti zajištění potřebných fyzikálních podmínek pro přepravu hyperpolarizovaného plynu. Toto bylo hlavní motivací k vývoji vlastní technologie pro přípravu hyperpolarizovaného xenonu. Se zvládnutou technologií by bylo možné navázat spolupráci s medicínskými zařízeními, nebo s týmy zabývající se živou nebo neživou přírodou (např. při studiu mikroporézních materiálů, gelů, v zemědělských aplikacích nebo při výzkumu využívajících zvířat, atd.). Cílem této práce je studium teorie hyperpolarizovaných vzácných plynů se zaměřením na 129Xe a experimentální ověření a změření relaxačních časů pomocí jaderné magnetické rezonance. Vzhledem k tomu, že je možné hyperpolarizované vzácné plyny skladovat pro pozdější využití, se tato práce také zabývá možnostmi zásobníku hyperpolarizovaného vzácného plynu a jeho teoretickým a experimentálním řešením. V této práci jsou popsány především dva základní typy experimentů přípravy hyperpolarizovaného xenonu. V obou jsou využity zatavené válcové skleněné vzorky naplněné xenonem a doplňujícím plynem – dusíkem, heliem. První z experimentů se zabývá měřením vlastností termálně polarizovaného xenonu a druhý měřením vlastností hyperpolarizovaného xenonu. Pro hyperpolarizaci 129Xe bylo použito výkonového laseru a experimentálně byla zkoumána jednak míra polarizace na základě změny spektrální hustoty čerpacího laserového svazku a dále pak optimální doba optického čerpání 129Xe a relaxační časy xenonu.