Mélasse optique

Le refroidissement Doppler est une technique de refroidissement d'atomes par laser. Elle utilise le décalage en fréquence introduit par l'effet Doppler pour ne cibler que les atomes se propageant dans la direction du laser et en direction du laser. Ceux-ci reçoivent donc un photon d'énergie ${\displaystyle h\nu }$ qui entraine un recul de l'atome qui permet le ralentissement. L'atome excité réémet un photon dans une direction aléatoire au bout d'un temps de vie ${\displaystyle \Gamma }$. Cette direction étant aléatoire, on peut considérer au bout d'un très grand nombre d'absorptions/émissions que la vitesse moyenne de l'atome est nulle mais elle n'est pas nulle dans l'absolu.

La température d'équilibre finalement atteinte dépend du nombre de cycles d'absorption/émission effectués par unité de temps : ${\displaystyle k_{B}T_{D}={\frac {\hbar \Gamma }{2}}}$

Les températures typiques trouvées dépendent des atomes, on trouve ${\displaystyle 40\mu K}$ pour un atome d'hélium et ${\displaystyle 180\mu K}$ pour un atome de rubidium par exemple.

Le refroidissement sub-Doppler désigne l'ensemble des techniques permettant le refroidissement d'une mélasse optique en-dessous de la limite Doppler de température. La première explication des mécanismes sub-Doppler a été publiée par Claude Cohen-Tannoudji et Jean Dalibard en 1989 [6].

Le refroidissement sub-Doppler recouvre plusieurs techniques dont le principe de base correspond à une modification de la constante de temps de vie de l'atome excité. Ainsi le parcours de l'atome, dû aux réémissions de photons autour de sa position d'équilibre est réduit au minimum.

Le refroidissement sisyphe est la technique de refroidissement sub-Doppler la plus utilisée.

Schéma donnant la taille d'une mélasse optique en fonction du temps selon la mesure de vitesse par chute libre du paquet d'atomes.

Les températures atteintes par les mélasses optiques sont de l'ordre de ${\displaystyle 100\mu K}$, températures qui ne sont pas mesurables directement par des procédés basés sur des interactions thermodynamiques.

En pratique la mesure de la température des mélasses optiques a posé problème jusque dans les années 1980, il faut attendre les mesures de Phillips en 1988 pour que les barres d'erreurs permettent de discriminer les mélasses Doppler des mélasses sub-Doppler.

Aujourd'hui, une des méthodes les plus utilisées consiste à étudier l’expansion d'un paquet d'atomes par agitation thermique au cours d'une chute où ils ne sont soumis qu'à la gravité. En pratique, les lasers servant au refroidissement sont simultanément coupés et la mélasse optique est en chute libre sur une hauteur de l'ordre de ${\displaystyle 10^{-3}}$ à ${\displaystyle 10^{-2}}$ mètre. Au cours de cette chute de quelques millisecondes, on image en permanence le paquet d'atomes pour connaître son diamètre. La variation du diamètre est directement liée à la vitesse des atomes et de là, à leur température.

Bien que simple en théorie, ce procédé n'est pas aisé à implémenter notamment parce qu'il requiert un système d'imagerie spécifiquement adapté.