Ce mémoire de thèse développe plusieurs thèmes autour de la condensation de Bose-Einstein. Il présente différents moyens pour produire des condensat de Bose et termine par une application du condensat : le laser à atomes. Notre dispositif expérimental utilise des matériaux ferromagnétiques pour générer le piège magnétique. Le champ au centre de notre pi'ege est de l'ordre de la centaine de Gauss. Avec un tel champ, le refroidissement évaporatif par radio-fréquence peut être perturbé ou même interrompu car les fréquences de transition entre sous-niveaux Zeeman adjacents en un point donné du piège magnétique sont différentes. Pour résoudre ce problème, nous avons réalisé l'évaporation avec plusieurs fréquences rf simultanément. Par ailleurs, nous avons produit simultan'ement deux condensats de Bose-Einstein dans des états internes différents par refroidissement sympathique. Un modèle thermodynamique simple permet de comprendre les différents scénarios d'apparition des condensats observés expérimentalement. De plus un calcul du taux de thermalisation par collisions élastiques entre les deux espèces montre à quelle condition les deux gaz restent thermalisés au cours du refroidissement sympathique. Enfin nous avons produit et étudié des faisceaux d'atomes issus de nuages ultra-froids par un coupleur radio-fréquence. Avec notre fort champ magnétique, la stabilité relative nécessaire pour obtenir des faisceaux continus est d'environ 1:10 000. Lorsque la stabilité n'est pas suffisante, nous montrons qu'une modulation de fréquence ou d'amplitude de la rf permet de régulariser le flux du faisceau de sortie.

Nous présentons un nouvel outil destiné à atteindre la condensation de Bose-Einstein par refroidissement évaporatif d'atomes alcalins confinés dans un potentiel magnétique. Notre approche repose sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques pour générer le potentiel de piégeage. Elle nous permet d'obtenir un pouvoir de confinement efficace avec une puissance électrique faible (100 W). Après une expérience préliminaire qui nous a permis de valider l'utilisation d'un électroaimant à coeur de fer pur pour le piégeage magnétique d'atomes neutres, nous avons développé un électroaimant de seconde génération que nous avons, utilisé pour notre étude du refroidissement évaporatif d'un gaz de rubidium 87. Ce dispositif a pour particularité de piéger les atomes dans un champ magnétique élevé, de l'ordre de 00 Gauss. A cause de la valeur élevée du champ magnétique, l'effet Zeeman quadratique n'est plus négligeable et les transitions radio-fréquence entre sous-niveaux Zeeman adjacents ne sont plus résonnantes au même point Cette propriété a des conséquences dramatiques sur le refroidissement évaporatif dans l'état F=2 et conduit à une interruption de lévaporation. Une expérience d'évaporation à fréquence fixe nous a permis de mettre en évidence l'influence de cet effet. Nous avons également observé que le refroidissement d'un gaz piégé dans F=m=2 ne permet pas de diminuer la température en dessous de 50 J.!K. En revanche, le processus d'évaporation n'est pas affecté pour l'état hyperfm inférieur F=1 et nous avons pu atteindre la condensation de Bose-Einstein en refroidissant le gaz en dessous de 150 nK.

This thesis describes experimental work towards developing a trapped ion quantum information processor. An existing ion trap apparatus was capable of trapping and laser-cooling single ions or small ion strings of 40 Ca+, and had been used for studies of quantum jumps and natural lifetime measurements in Ca. This thesis describes improvements in this apparatus, which have allowed the stability and the flexibility of experimental control of the ions to be greatly increased. This enabled experiments to read out the spin state of a single trapped ion, and to load ions with isotope selectivity through photoionization. The optical systems were improved by installation of new lasers, optical reference cavities, and a system of acousto-optic modulators for laser intensity switching and frequency control. The photon counting for fluorescence detection was improved, and a new photon time-of-arrival correlation circuit developed. This has permitted rapid and more sensitive detection of micromotion, and hence cancellation of stray fields in the trap. A study of resonant circuits in the low RF, high voltage (10 MHz, 1 kV) regime was carried out with a view to developing a new RF supply for the Paul trap with reduced noise and increased power. A new supply based on a helical resonator was built and used to trap ions. This technique has reduced noise and will permit higher secular frequencies to be attained in the future. A magnetic field B in the ion trap is used to define a quantization axis, and in one series of experiments was required to be of order 100 G to provide a substantial Zeeman splitting. A set of magnetic field coils to control the size and direction of B is described. The design of these posed some problems owing to an unforseen issue with the vacuum chamber. In short, it is magnetizable and acts to first approximation like a magnetic shield. The field coils had to be sufficiently substantial to produce the desired field at the ion even in the presence of this shielding effect, and dark resonance (and other) spectra with Zeeman splitting were obtained to calibrate the field using the ion as a probe. Finally, the thesis describes the successful loading of the ion trap by laser photoionization from a weak atomic beam. This involved two new lasers at 423 nm and 389 nm. Saturated absorption spectroscopy of neutral calcium is first described, then transverse excitation of an atomic beam in our vacuum chamber is used to identify all the main isotopes of calcium and confirm their abundances in our source (a heated sample of natural calcium). Finally, photoionization is used to load the trap. This has three advantages over electron-impact ionization. By avoiding an electron gun, we avoid charging of insulating patches and subsequent electric field drift as they discharge; the flux in the atomic beam and hence calcium (and other) deposits on the electrodes can be greatly reduced; and most importantly, the photoionization is isotope selective. Evidence is presented which suggests that even with an non-enriched source, the rare isotope 43 Ca can be loaded with reasonable efficiency. This isotope is advantageous for quantum information experiments for several reasons, but chiefly because its ground state hyperfine structure can act as a stable qubit.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Engels.

Neste trabalho apresentamos a construção e teste de um sistema experimental que nos permite produzir um fluxo intenso de átomos lentos. Discutimos o desenho e construção do solenóide que compensa o efeito Doppler que surge durante o processo de desaceleração, as câmaras de vácuo, o forno que gera o feixe atômico e o sistema ótico utilizado. Estudamos a técnica de desaceleração de átomos pelo ajuste Zeeman. Uma nova técnica de observação que consiste no acompanhamento da fluorescência do feixe ao longo do caminho de desaceleração é usada, o que nos permite uma observação direta do processo. / This work presents the development and test of an experimental set-up which allows to produce a very strong slow motion atomic beam. We discuss the calculation and construction of the solenoid to compensate the Doppler effect arising during the deceleration process, vacuum chambers, the oven which produces the atomic beam and the optical system used. We have studied the Zeeman-tuned technique to slow an atomic beam of sodium atoms. A new technique to study the deceleration which Consist in monitoring the fluorescence along the deceleration path is used, which allow us a direct observation of the process.

Made available in DSpace on 2014-06-12T18:04:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo4292_1.pdf: 2272386 bytes, checksum: f617d63734e152963ff1e5a872bf3a3a (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2008 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho propomos e demonstramos o uso do efeito de transparência eletromagneticamente induzida num vapor atômico como uma ferramenta para medir campos magnéticos com alta precisão. O princípio da técnica reside na ressonância muito estreita associada com este efeito coerente e no deslocamento Zeeman desta ressonância quando um campo magnético externo longitudinal é aplicado. Este campo magnético define também a direção de quantização. O esquema proposto, empregamos feixes contra-propagantes o que permitiu a observação simultânea da dupla ressonância de transparência eletromagneticamente induzida, cuja separação em frequência está diretamente relacionada à componente do campo magnético paralelo à direção de propagação dos feixes incidentes. A técnica foi demonstrada usando um sistema de dois níveis degenerados dos átomos de césio a temperatura ambiente. Em particular ela foi também explorada para medida de deslocamento de frequência dos subníveis Zeeman do estado fundamental hiperfino do césio 6S1/2, F = 3. Também calculamos o espectro da transparência eletromagneticamente induzida num meio inomogeneamente pelo efeito Doppler e estudamos sua dependência com o campo magnético aplicado assim como também com a intensidade do feixe de bombeamento. Estes cálculos se comparam rasoavelmente bem com os resultados observados

This master's thesis describes the process of the design and instrument selection for a future optical table, part of a plasma flow monitor diagnostic system at the international thermonuclear experimental reactor, ITER. The diagnostic system is designed to detect the presence of edge localized mode, low to high confinement mode transition of plasma, and plasma flow velocity in the divertor region of the reactor. It accomplishes this by performing spectroscopic measurements of visible light radiating from specific elements inside the reactor. The selection of these elements are based on previous experiments performed at the joint european torus (JET). The light is transported via a system of lenses and mirrors to the optical table where it is directed through a series of optical instruments. Finally, the light is subsequently captured by cameras who live stream the images via the internal network to a control center. To aid the development of the schematic and instrument selection, optical design simulations of the light transmission path were performed to ensure that the design could provide sufficient level of light itensity to the cameras at a defined trajectory. The selection of instruments, light transmission results, computer aided design- and simulation models of the optical table are presented in this report. While the selected components satisfied most criteria specified by its predefined system requirements, the project also serves as a foundation for future improvements of the optical table, including changes to any of the instruments, schematics, and optical design simulations.

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Le développement de différentes techniques pour contrôler les degrés de liberté internes et externes des molécules et pour produire (ultra-) froide, piège des moléculaire ensembles ouvrir des voies différentes à la physique et la chimie dans le régime de basse température. Il s'agit notamment de nombreux territoires en physique comme, phases quantiques de la matière, traitement de l'information quantique, les froides collisions moléculaires, les chimies froides et aussi de divers tests de haute précision pour la physique fondamentale. Cette thèse décrit diverses expériences de guidage et de décélération des faisceaux supersoniques d'atomes paramagnétiques à l’aide de champs magnétique inhomogène dépendent du temps. Ces champs magnétiques inhomogènes ont été utilisés pour exercer une force sur les atomes ou les molécules paramagnétiques, qui résultent de l'effet Zeeman. Le principe du ralentisseur Zeeman nouvellement développé est de produire un déplacement tridimensionnel du piège magnétique, à la vitesse initiale du faisceau. Le contrôle de la dépendance temporelle du champ magnétique nous permet de contrôler la vitesse du piège magnétique co-mobile, procurant ainsi une décélération d'une classe de vitesse du faisceau supersonique. Le piège magnétique co- mobile est déduit à partir d'une onde magnétique mobile, offrant un minimum de distorsion du piège lors de sa propagation. Les propriétés transverses du piège sont réglables grâce à un champ magnétique transversal quadrupolaire, qui peut être ajusté indépendamment des propriétés de vitesses et l'accélération du piège. Une grande part du travail de thèse a été consacrée à la conception, la réalisation et la construction du montage expérimental, consistant en un jet supersonique et en un dispositif complexe de bobines pour réaliser l’onde magnétique progressive, formant un piège magnétique mobile. Le jet froid pulsé d'atomes métastables est produit par expansion supersonique à travers une valve refroidie à l'azote liquide, excités dans l'état métastable par une décharge électrique. Nous avons guidé le jet d'argon au travers d’un tube capillaire le guidage et la décélération ont été démontrés. Le piège magnétique mobile est formé par la combinaison d'un champ magnétique quadrupolaire et d'un champ magnétique axial modulé spécialement. Le champ quadrupolaire est continu et un gradient de champ est dirigé seulement dans la direction transverse du jet. Le circuit plan produit une onde magnétique sinusoïdale avec un gradient de champ dans la direction axiale. Avec l'électronique fabriquée au laboratoire, ou peut produire une onde magnétique progressive d'amplitude 0.69T (avec un courant AC de 300A) et de fréquence 40 kHz. On obtient ainsi une onde qui se déplace à une vitesse de 464m/s. Plusieurs expériences de principe ont été réalisées en utilisant le jet froid pulsé d'argon métastable. Nous avons étudié les propriétés de guidage du quadrupole pour divers courants et pour différents atomes (hélium et argon) et comparé les résultats aux prédictions théoriques de simulations numériques. Le jet d'argon métastable a été guidé en 3D à des vitesses variées (464m/s, 400m/s, 392m/s) avec un décélérateur de 28cm de long. La température observée du paquet guidé est de 100mK. L'expérience de décélération a été réalisée avec le jet d'argon métastable depuis la vitesse de 400m/s jusqu’à 370m/s et depuis la vitesse de 392m/s jusqu’à 365m/s. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les simulations numériques. / The development of various techniques to control both the internal and external degrees of freedom of molecules and to produce (ultra-) cold, trapped molecular ensembles open various avenues to physics and chemistry in the low temperature regime. These include many territories in physics like, quantum phases of matter, quantum information processing, cold molecular scattering, cold chemistry and also various high precision tests for fundamental physics.This thesis describes various guiding and deceleration experiments of supersonic beams of paramagnetic atoms using inhomogeneous time-dependent magnetic fields. Inhomogeneous magnetic fields have been used to exert a force on paramagnetic atoms or molecules, which derives from the Zeeman effect. The principle of the newly developed Zeeman decelerator is to produce a moving tridimensional magnetic trap, which moves at the initial velocity of the beam. The control of the time dependence of the magnetic field allows us to control the velocity of the so-called co-moving magnetic trap, thereby affording for a deceleration of a velocity class of the supersonic beam. The co-moving magnetic trap is inferred from a moving magnetic wave, offering a minimal distortion of the trap during its propagation. The transverse properties of the trap are tunable through a transverse quadrupolar magnetic field, which can be adjusted independently of the velocity and acceleration properties of the trap.Much of this thesis was devoted to the design, development and construction of the experimental setup consisting of a supersonic beam and complex coils to achieve a traveling magnetic wave. Using home-made electronics operating 300A AC currents at frequencies up to 40 kHz, the coils can produce a magnetic wave of amplitude 0.7T, moving at a controllable velocity up to 464m/s. Several proof-of-principle experiments have been carried out using a pulsed, cold beam of metastable atoms, excited in metastable states by an electric discharge during the supersonic expansion. We have studied the guiding properties of the quadrupolar magnetic field alone on two atomic beams (metastable helium and argon) and compared with the theoretical prediction of tridimensional numerical simulations. A supersonic beam of metastable argon atoms has been trapped in a co-moving trap at a constant velocity (464m/s, 400m/s, and 392m/s) using a 28cm-long prototype decelerator. The temperature of the guided beam packet is observed to be 100mK. Finally, Zeeman deceleration experiments have been done on metastable argon beams with an initial velocity of 400m/s, decelerated to various final velocities (392m/s, 370m/, and 365m/s). The experimental results are compared with tridimensional numerical simulations.Keywords: Supersonic beams, metastable atoms, cold molecules, atoms in inhomogeneous magnetic fields, transverse magnetic guide, co-moving magnetic trap, tridimensional guiding, Zeeman deceleration.

Ce travail porte sur l’étude et la réalisation d’une nouvelle technique de décélération d’un jet supersonique de particules paramagnétiques en utilisant une onde de champ magnétique progressive co-mobile. Cette technique repose sur une méthode de ralentissement basée sur les forces de type Stern Gerlach agissant sur un système paramagnétique en mouvement en présence d’un champ magnétique co-propageant. Cette méthode très innovatrice a l’avantage de pouvoir s’appliquer à une grande palette d’espèces ouvrant ainsi de nouvelles possibilités d’applications. On décrit une approche théorique adaptée qui permet de faire un lien direct entre la théorie, la programmation des paramètres expérimentaux, les résultats obtenus et ce d’une manière systématique, rationnelle et prédictive.Ce mémoire est composé de trois parties. La première porte sur les forces décélératrices et le calcul des différentes forces, de type Stern Gerlach, utilisées dans nos expériences. Les formules établies dans cette partie sont essentielles pour l’interprétation des résultats expérimentaux. La deuxième partie porte sur le dispositif expérimental : le jet supersonique pré-refroidi, la zone d’interaction et la détection. On donne le détail de la réalisation des circuits créant les champs magnétiques nécessaires au guidage et à la décélération du jet. La troisième partie porte sur les résultats des expériences réalisées et leur interprétation directement à partir des équations du mouvement de l’effet Stern Gerlach. Des simulations sont présentées pour étayer les interprétations. On présente les résultats de décélération obtenus récemment sur l’argon et le néon métastables. Ces résultats valident clairement l’importance de l’ajout d’un champ magnétique uniforme qui définit un axe de quantification adiabatique global pour toutes les particules du jet et permet le découplage entre la précession des moments magnétiques et l’action des forces de gradient. Ces résultats mettent en évidence, aussi, l’effet de polarisation du jet qui dépend du sens relatif du champ magnétique uniforme ajouté par rapport à l’onde de champ magnétique progressive.Enfin, la compréhension et le contrôle de la dynamique du piégeage à une vitesse donnée, de l’accélération et de la décélération nécessitent le découplage entre les effets transverses et les effets longitudinaux de l’onde. Ces derniers sont clairement visibles quand le champ magnétique uniforme ajouté vient limiter les effets transverses de l’onde de champ magnétiques progressive. Les perspectives pour ce nouveau décélérateur Zeeman Stern Gerlach sont grandes. Un premier résultat de piégeage du di-azote métastable à 560m/s est présenté et ceci ouvre la voie pour décélérer les molécules paramagnétiques en jet supersonique pulsé. La décélération des radicaux libres et des neutrons est aussi envisageable. / This work focuses on the study and implementation of a new technique of deceleration of a supersonic beam of paramagnetic particles using a co-moving progressive wave of magnetic field. This technique relies on a method of slowing based on Stern-Gerlach forces acting on a paramagnetic system in motion in the presence of a co-propagating magnetic field. This highly innovative approach has the advantage of being applicable to a wide range of species and opens up new opportunities. A suitable theoretical approach is followed, that allows for a direct link between theory, programming of experimental parameters, and experimental results in a systematic, rational and predictive manner.This thesis is composed of three parts. The first concerns the calculation of the various Stern Gerlach forces used in our experiments to decelerate the paramagnetic particles. Formulas established in this section are essential for the interpretation of experimental results. The second part is devoted to the experimental device: the creation of the cooled supersonic beam, interaction zone and detection. A separate chapter is devoted to the detailed description of the different setups of coils used to create the magnetic fields necessary to guide and to decelerate the particles of the beam.The third part is devoted to the experimental results and their direct interpretation using the equations of motion in Stern Gerlach forces. Simulations are presented to embody the interpretations. We present results about the deceleration of metastable argon and neon atoms. These results validate the significance of the addition of a uniform magnetic field defining a global adiabatic quantization axis for all the particles in the beam. This realizes the decoupling between the precession of the magnetic moments and Stern Gerlach forces. The results demonstrate the polarization effect of the beam that depends on the direction of the added uniform magnetic field relative to the progressive wave of the magnetic field.Finally, the understanding and control of the dynamics of trapping at a given speed, acceleration and deceleration require decoupling between the transverse and longitudinal effects of the wave. These effects are clearly visible when the added uniform magnetic field limits the transverse effects of the progressive wave of magnetic field. The outlooks for the new Zeeman Stern Gerlach decelerator are numerous. A first result of trapping di-nitrogen metastable at 560m/s is presented and the road is open to decelerate paramagnetic molecules in pulsed supersonic jet. Deceleration free radicals and neutrons are also possible.