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Structuration spatiale spontanée dans un nuage d’atomes froids de taille centimétrique

6 juin 2014

Laser , INLN - UMR 7335 , atomes froids , retroaction , transition

La densité atomique d’un nuage d’atomes froids s’organise spontanément en structures de tailles variables lorsqu’il est soumis à une rétroaction optique due au retour d’un faisceau laser l’ayant auparavant traversé.

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Jusqu’à présent, les structures diffractives auto-organisées observées dans des vapeurs atomiques chaudes en présence d’une rétroaction optique consistaient en une modulation spatiale de l’état interne des atomes, avec une densité d’atomes restant uniforme. Dans ces expériences, les mouvements rapides au sein du gaz inhibaient la structuration de la densité atomique. Une organisation spatiale des atomes était bien observée dans d’autres expériences mettent en jeu des atomes froids, mais alors, la rétroaction était due à une cavité optique qui imposait au gaz la géométrie des modes optiques. En utilisant des atomes refroidis par laser en l’absence de cavité résonante, des physiciens de l’Institut non linéaire de Nice – INLN (CNRS / Univ. Nice Sophia Antipolis) ont permis aux forces dipolaires exercées par une modulation spatiale de l’intensité lumineuse de s’exprimer. Sous l’effet d’une rétroaction optique appliquée grâce à un simple miroir, ils ont observé l’apparition de modulation de densité en forme de nid d’abeilles. Ce travail est publié dans la revue Nature Photonics.

Pour cette expérience, les physiciens ont utilisé un nuage d’atomes froids de rubidium de taille centimétrique. Ce nuage comprend 100 milliards d’atomes refroidis par laser à une température de 200 microkelvins dans un piège magnéto-optique. Un faisceau laser infrarouge traverse ce nuage et est renvoyé vers ce dernier par un miroir plan situé à quelques centimètres de distance. Les chercheurs observent l’apparition d’une structuration transverse de densité par l’intermédiaire de son effet sur un faisceau sonde auxiliaire. Ces structures en nid d’abeille, d’une période de l’ordre d’une centaine de micromètres apparaissent lorsque l’intensité dépasse un seuil critique et ont une période dépendant de la distance entre le miroir et le nuage. Les modèles théoriques développés par le groupe de Strathclyde ont confirmé la validité de ce mécanisme de rétro-action ’’opto-mécanique’’, qui, même en l’absence de dissipation, conduit à une structuration spontanée de la densité atomique.

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Motifs lumineux hexagonaux observés dans un nuage d’atomes froids.
Crédit : G. Labeyrie et P. Gomes

En savoir plus

Optomechanical self-structuring in a cold atomic gas
G. Labeyrie1, E. Tesio2, P. M. Gomes2, G.-L. Oppo2, W. J. Firth2, G. R.M. Robb2, A. S. Arnold2, R. Kaiser1,2 et T. Ackemann2, Nature Photonics (2014)

Contact chercheur

Guillaume Labeyrie, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Institut Non Linéaire de Nice (INLN)

2 SUPA and Department of Physics, University of Strathclyde, Glasgow

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr