Piégeage magnétique d'un gaz d'hélium métastable : vers la condensation de Bose-Einstein
Résumé
A cold gas sample of metastable helium atoms ($2^3S_1$) is a possible candidate for observing Bose-Einstein condensation. Theoretical studies predict that Penning collisions, a major obstacle for achieving high density, are suppressed by several orders of magnitude due to spin polarization of the sample. This suppression should allow the transition to happen in the $\mu$K range. This polarization is obtained by magnetostatic trapping of the atoms. The high predicted value of the scattering length for helium in the $2^3S_1$ state may allow an efficient evaporative cooling in the magnetic trap. This thesis summarizes the theoretical predictions about elastic and inelastic collisions between metastable helium atoms and describes the apparatus leading to the loading of the magnetic trap. The technique used is based on laser cooling of an atomic beam assisted by Zeeman effect, followed by magneto-optical trapping and optical molasses. A first experimental limitation in the spatial density is encoutered during this stage. It is due to inelastic collisions enhanced by laser light. The pre-cooled sample is then transferred to the magnetic trap. Two experimental realizations of magnetostatic trapping are presented. The first one in a quadrupole is only a proof of principle. The second one is achieved in a Ioffe-Pritchard trap. We now have a magnetically trapped sample of $5\times 10^7$ atoms at a temperature of 200 $\mu$K, with a lifetime of 20 s.
Un gaz froid d'hélium métastable ($2(^3S_1)$) polarisé est un candidat possible pour l'observation de la condensation de Bose-Einstein. Des études théoriques prédisent que le taux de collisions Penning, obstacles à l'obtention de hautes densités spatiales, est réduit de plusieurs ordres de grandeur du fait de la polarisation de l'échantillon. Cette réduction doit permettre d'observer la transition de phase à une température autour du $\mu$K. La polarisation est obtenue expérimentalement en piégeant les atomes magnétiquement. La longueur de diffusion théorique élevée de l'hélium dans l'état $2(^3S_1)$ permet d'espérer un refroidissement évaporatif efficace dans le piège magnétique. Cette thèse résume les prédictions théoriques sur les collisions inélastiques et élastiques entre atomes d'hélium métastables et décrit le dispositif expérimental conduisant au chargement du piège magnétique. La technique choisie est basée sur le pré-refroidissement laser des atomes par ralentissement d'un jet par laser assisté par effet Zeeman, suivi d'un piégeage magnéto-optique et d'une phase de mélasse optique. Une première limitation expérimentale sur la densité spatiale que l'on peut atteindre appara\^(i)t au cours de cette étape. Elle est due aux collisions inélastiques assistées par la lumière laser. Le nuage pré-refroidi est ensuite transféré dans le piège magnétique. Deux réalisations expérimentales de ce piégeage magnétique sont présentées. La première, démonstration de principe, est réalisée dans un quadrup\^(o)le. La deuxième est obtenue dans un piège de Ioffe-Pritchard. A ce stade de l'expérience, on dispose d'un échantillon magnétique contenant $5\times 10^7$ atomes à une température de 200 $\mu$K, avec une durée de vie de 20 s.