Refroidissement d'atomes par laser et optique atomique

Résumé
Le but de ce cours est de présenter les processus physiques à la base du contrôle de la position et de la vitesse des atomes avec des faisceaux laser. Le contrôle de la vitesse consiste en le refroidissement du mouvement du centre de masse atomique, donc en un confinement des atomes dans l'espace des impulsions. Le piègeage est un confinement des atomes dans l'espace des positions. La présentation adoptée repose sur le concept de « forces radiatives ». Ce concept intervient lorsqu'on élimine adiabatiquement les degrés de liberté atomiques internes, donc lorsque ceux-ci relaxent en un temps court devant les temps d'évolution typiques de la vitesse atomique (voir paragraphe 1). Elle a l'avantage de conduire à une analyse simple du refroidissement et de donner accès aux lois d'échelles importantes. Nous utilisons le concept de forces radiatives pour analyser le modèle le plus simple de refroidissement et de piégeage dans le paragraphe 2 (cas d'un état atomique fondamental de moment angulaire nul). Le mécanisme de base est l'effet Doppler, et les énergies cinétiques les plus basses accessibles sont de l'ordre de ħΓ où Γ est le taux d'émission spontanée de l'état excité. Expérimentalement, des températures beaucoup plus basses que celle prédites par le modèle Doppler précédent ont été observées. Un des mécanismes de refroidissement mis en jeu est l'effet « Sisyphe », que nous étudions au paragraphe 3 sur un modèle simple à une dimension, qui a le mérite de donner l'ordre de grandeur des résultats expérimentaux. Les énergies cinétiques les plus basses obtenues sont de l'ordre de l'énergie de recul (ħk_L)²/2M où ħk_L est l'impulsion d'un photon laser et M la masse de l'atome. Finalement, au paragraphe 4, nous aborderons un domaine actuellement en essor, celui de l'optique atomique, en l'illustrant par des réalisations de miroirs, de cavités et lames séparatrices pour ondes de matière.