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Voyage au pays du zéro absolu… où les atomes se comportent comme des ondes !

Plusieurs décennies ont passé depuis la célèbre expérience des fentes de Young qui a été la première à démontrer le caractère ondulatoire de la lumière. Un photon peut se trouver à deux endroits différents au même moment… ce qui est difficile à croire pour un photon l’est d’autant plus pour de la matière !

Dr Andrea Bertoldi est un spécialiste du refroidissement d’atomes et de l’interférométrie atomique. Il utilise un nuage d’atomes refroidis afin de :
- mesurer la constante de gravité universelle G (expérience MAGIA, Florence, Italie),
- de développer des horloges atomiques très précises (expérience BIARO, Palaiseau, France)
- et de mettre au point des détecteurs d’onde gravitationnelle basés sur l’interférométrie atomique (MIGA, Bordeaux, France). 
Several decades have passed since Young’s famous interference experiment, proving the wave theory of light: one photon could be at two different places at the same time… hard to believe, and even more when talking about atoms.
Dr Andrea Bertoldi is an atom cooling and interferometry specialist. He uses extremely cold rubidium atoms to measure the universal gravitational constant G (MAGIA experiment, Florence - Italy), to develop atomic clocks using weak measurements (BIARO experiment, Palaiseau - France) and, in the near future, to develop a gravitational wave detector based on atom interferometry (MIGA, Bordeaux - France).
Sa passion pour la « matière refroidie » vient peut-être de ses origines transalpines (Nord de l’Italie) ! Andrea a commencé à travailler sur la physique atomique durant son doctorat dans le groupe de Leonardo Ricci à l’Université de Trento. L’objectif de l’expérience était de développer une nouvelle méthode pour piéger des atomes en utilisant une combinaison stationnaire de puits de potentiel [1,2].
Dr Andrea Bertoldi
Dr Andrea Bertoldi
A l’obtention de son doctorat,  Andrea rejoint l’équipe du Professeur Tino à Florence et travaille sur l’expérience MAGIA, dont le but est de mesurer la constante de gravité universelle G en utilisant l’interférométrie atomique.

La méthode adoptée est innovante : au lieu de mesurer la torsion induite par d’importantes masses macroscopiques suspendues, ils utilisent des atomes de Rubidium refroidis. Ces atomes sont lâchés en chute libre et utilisés comme sondes microscopiques afin de mesurer l’accélération gravitationnelle induite par des masses macroscopiques situées à proximité.

La mesure s’effectue en deux points simultanément (par interférométrie Raman) pour obtenir une valeur du gradient de gravité. En répétant la mesure avec différentes configurations de masses macroscopiques (500 kg de tungstène), ils réussissent à annuler la composante terrestre de la gravité et obtiennent une valeur de G avec une précision de 10-3 [3,4].

BIARO Cooled Atom Vacuum Chamber
Depuis 2008, Andrea travaille à l’Institut d’Optique de Palaiseau sur l’expérience BIARO dirigée par le groupe de recherches d’Alain Aspect et Philippe Bouyer. Dans cette expérience, les atomes de Rubidium sont piégés par un piège optique dipolaire (constitué d’un laser télécom émettant à 1.5µm injecté dans une cavité optique macroscopique). Les atomes sont ensuite refroidis en dessous de 200 nK par évaporation afin d’obtenir un Condensat de Bose-Einstein (BEC), obtenu expérimentalement pour la première fois en 1995. 

Une méthode de détection hétérodyne non-destructive [5, 6, 7]  a été mise en place sur l’expérience BIARO afin de compter les populations d’atomes localisés sur les niveaux fondamentaux hyperfins du Rubidium. En utilisant cet outil et une boucle d’asservissement, il est possible de contrôler et de stabiliser un état de spin cohérent et ainsi, minimiser les effets des bruits de mesure.

Forte de ces résultats, l’équipe se focalise actuellement sur la fabrication d’une horloge atomique (à atomes froids) avec des temps d’interrogation rallongés. L’objectif est d’obtenir un équipement de mesure « perpétuel » du temps plus précis que les horloges atomiques classiques.
Les atomes sont refroidis d’une température d’environ 300K à une température de quelques centaines de µK en utilisant un piège magnéto-optique. Cette technique combine un laser de refroidissement et un champ magnétique inhomogène pour transformer la pression de radiation1 issue d’un laser en une force de rappel  dissipative. La transition généralement utilisée pour refroidir le Rubidium est la raie D2 située entre les états 52S1/2 et  52P3/2 des atomes de Rubidium (780 nm).

Afin de refroidir davantage les atomes, ils sont piégés dans des puits de potentiel, créés à partir d’une onde stationnaire (magnétique ou optique), dont la profondeur est progressivement réduite. Les atomes les plus chauds s’échappent des puits de potentiel, et les atomes restant se stabilisent à une température plus basse.

La température du nuage atomique est ainsi réduite par évaporation et la densité spatiale de phase augmente. Dans le cas de l’expérience BIARO, le piège de potentiel (également appelé piège dipolaire) est constitué d’un laser télécom émettant à 1.5 µm.

La méthode la plus courante de mesure de la température d’un nuage d’atomes est la mesure du temps de vol (Time of Flight, TOF), inventée par W. Phillips au MIT dans les années 80. Elle consiste à mesurer l’expansion du nuage atomique après extinction du piège ; plus les atomes contenus dans un nuage sont froids plus l’expansion de celui-ci est lente.

Pour le refroidissement des atomes dans le piège magnéto-optique, Andrea utilise des lasers fins spectralement émettant à 780 nm. Ces mêmes lasers peuvent également servir à sonder la transition D2 des atomes de Rubidium (interférométrie).

Le piège dipolaire utilise un laser émettant à 1560 nm (laser à fibre amplifié dans un EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier). Ce laser cause un déphasage important sur la ligne D2 à cause de la transition située à 1529 nm. Afin de contrebalancer cet effet, un laser à fibre décalé vers les longueurs d’onde bleues est utilisé en complément.
Le laser EYLSA de Quantel a été intégré à l’expérience BIARO. Andrea donne ses premières impressions : « L’intégration a été très rapide : quelques heures seulement. Le laser a été injecté sur le chemin optique existant. Un battement optique entre un laser de référence calé sur une cellule de Rubidium et une portion du faisceau laser issu de l’EYLSA a été mis en place.

Le signal d’erreur généré après traitement électronique du battement optique a été connecté à l’entrée de la boucle de contre-réaction de l’EYLSA afin de stabiliser sa longueur d’onde d’émission.
Très rapidement, nous avons obtenu un nuage d’atomes froids dans le 2D-MOT et 3D-MOT. Utiliser un laser qui délivre immédiatement un faisceau intense d’1 W calé sur la transition atomique du Rubidium permet d’économiser beaucoup de temps… ».

Il poursuit : « En fait cela m’a pris plusieurs mois pendant mon Doctorat pour définir et réaliser la diode à cavité étendue, injecter les « tapered amplifiers », et configurer les chemins optiques ! L’avantage ne se situe pas uniquement à l’assemblage de l’expérience mais aussi dans la stabilité et la fiabilité du système sur le long terme. Les systèmes fibrés étant, par définition, très robustes et stables. »

Andrea Bertoldi quittera prochainement l’Institut d’Optique de Palaiseau pour rejoindre l’équipe du projet MIGA délocalisée à Bordeaux. Ce projet vise à  développer la première antenne de détection d’onde gravitationnelle combinant les atomes et les lasers.

Nous souhaitons qu’Andrea réussisse cette nouvelle aventure et profite de la culture bordelaise !

1 Pression de radiation (quantité de mouvement) : La pression de radiation est la force que subit un objet soumis à un flux lumineux. En effet, lorsqu’un atome absorbe un photon (ayant une longueur d’onde précise correspondant à une transition atomique), celui-ci est soumis à une minuscule force de même sens et direction que le photon. Cette force est également présente lors de l’émission d’un photon par un atome excité. Dans ce dernier cas, la direction de la force est aléatoire et opposée à la trajectoire du photon émis.


Publications du Dr. Andrea Bertoldi

[1] Combined static potentials for confinement of neutral species, L. Ricci, D. Bassi and A. Bertoldi, Phys. Rev. A 76, 023428 (2007).
[2] Dynamics of a cold atom cloud in an anharmonic trap, A. Bertoldi and L. Ricci, Phys. Rev. A 81, 063415 (2010).
[3] Atom interferometry gravity-gradiometer for the determination of the Newtonian gravitational constant G, A. Bertoldi, G. Lamporesi, L. Cacciapuoti, M. de Angelis, M. Fattori, T. Petelski, A. Peters, M. Prevedelli, J. Stuhler and G. M. Tino, Eur. Phys. J. D 40, 271 (2006). 
[4] Determination of the Newtonian Gravitational Constant Using Atom Interferometry, G. Lamporesi, A. Bertoldi, L. Cacciapuoti, M. Prevedelli, and G. M. Tino, Phys. Rev. Lett. 100, 050801 (2008). 
[5] Feedback control of atomic coherent spin state, T. Vanderbruggen, R. Kohlhaas, A. Bertoldi, S. Bernon, A. Aspect, A. Landragin, P. Bouyer, arXiv:1207.3203.
[6] Heterodyne non-demolition measurements on cold atomic samples: towards the preparation of non-classical states for atom interferometry, S. Bernon, T. Vanderbruggen, R. Kohlhaas, A. Bertoldi, A. Landragin and P. Bouyer, New J. Phys. 13, 065021 (2011).
[7] Spin-squeezing and Dicke-state preparation by heterodyne measurement, T. Vanderbruggen, S. Bernon, A. Bertoldi, A. Landragin and P. Bouyer, Phys. Rev. A 83, 013821 (2011).