Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Spectroscopie de déplétion de piège“

Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites
Rydberg atoms are atoms excited to states with a very high principal quantum number, where the valence electron orbits very far from the nucleus. This large distance imparts exceptional properties to Rydberg atoms compared to ordinary atoms, which has made them central to many developments and applications of modern experimental quantum physics. In particular, they exhibit transitions in the radiofrequency (RF) and terahertz (THz) domains with very large dipole matrix elements, making them extremely sensitive to electromagnetic fields in these frequency domains. This has led over the last ten years to the emergence of a new technology of RF and THz field sensors, where the amplitude of the field is measured by performing electromagnetically induced transparency spectroscopy of the Autler-Townes doublet induced by the interaction between the field and Rydberg states of atoms in a thermal vapor. Such sensors offer several advantages over classic antennas, including a greater sensitivity, a wider frequency range, a size independent from the frequency of the measured field, a significantly reduced need for calibration, and the ability to measure, in addition to the amplitude, the phase and the polarization. All these benefits make Rydberg atoms-based RF field sensors excellent candidates for applications in telecommunications, radar systems, and the space sector. Currently, these sensors are the subject to numerous works aiming at improving their performance in terms of sensitivity, accuracy, measurement bandwidth or spatial resolution. The use of cold atoms instead of thermal vapors represents a promising avenue in these goals, due to their better coherence and strongly reduced Doppler effect. Additionally, cold atoms are suitable for other forms of spectroscopy that are potentially more robust in certain aspects. This thesis focuses on the experimental study of a new approach for RF field sensing using cold Rydberg atoms, based on trap-loss spectroscopy. It consists in making the RF field interact with a set of ⁸⁷Rb atoms cooled and confined in a magneto-optical trap, and in probing the Autler-Townes doublet created by the field through a trap depletion effect. The mechanism responsible for the losses is the ionization of the atoms under the action of background blackbody radiation. This study involved the development of an entire experimental setup to perform trap-loss spectroscopy. Despite a low measurement bandwidth, the method proposed here has demonstrated a deviation from linearity of less than 2%, a sensitivity of the order of 250 µV/cm/Hz1/2, as well as an absence of drifts over several hours of measurement, with a resolution of the order of 5 µV/cm. Moreover, this method is easier to implement than other approaches involving cold atoms, and theoretically allows for determining both the amplitude and the frequency of the field. In this manuscript, we will describe the principle, setup and implementation of our experimental apparatus, present the results of the measurement performed with it, and then analyze its metrological performance, advantages and limitations

Cette thèse traite de l'étude des molécules froides formées via la technique de photoassociation d'atomes froids. Cette étude porte sur la manipulation des degrés de libertés externes de la molécules, et sur l'étude des interactions internes à la molécule Cs2.

Un piège quadrupolaire magnétique de 2.10^5 molécules Cs2 froides a été réalisé. Le temps de vie du piège moléculaire est de 600ms, limité par les collisions avec le gaz chaud résiduel. Les molécules piégées ont été caractérisées, ce qui a permis de déterminer la température du nuage de molécules piégé, de l'ordre de 35uK. La mise en place d'un piège dipolaire, réalisé au moyen d'un laser CO2 focalisé est également décrit.

D'autre part, une spectroscopie de photoassociation à deux photons a été réalisée. Elle a permis l'étude originale des formes de raies de cette spectroscopie, présentant de typiques profils de Fano. Grâce à la connaissance précise de ces formes de raies, plus d'une centaine d'énergies de niveaux vibrationnellement très excités de la molécules de Cs2 sont mesurés, avec une précision de l'ordre de 10MHz. Lors de l'interprétation théorique, l'énorme structure hyperfine de l'atome de césium implique la résolution d'équation de Schrödinger couplées pour des distances internucléaires supérieures à 15a0. Un modèle théorique asymptotique est donc utilisé pour ajuster les paramètres moléculaires des potentiels fondamentaux de la molécules de Cs2.
Les ajustements de ces paramètres se font au moyen d'algorithmes évolutionnaires et déterministes et sont suivis d'une étude statistique approfondie. On détermine ainsi le coefficient de Van der Waals avec une excellente précision, ainsi que pour la première fois l'amplitude de l'interaction d'échange de manière expérimentale.

Cette thèse a pour objectif de comprendre la dynamique des ions piégés dans un EIBT (Electrostatic Ion Beam Trap). J'ai commencé par mettre au point une méthode de calcul basée sur des transformations conformes pour obtenir une formule analytique du potentiel dans ce type de piège. Grâce à cette expression, on peut écrire les équations du mouvement, démontrant la parenté de l'EIBT et du piège de Paul. Ce parallèle permet, en utilisant la théorie de Floquet, de prédire les zones de stabilité du piège et le spectre du mouvement radial. J'ai pu vérifier ces prédictions avec des ions Ne$^{5+}$ produits par la source SIMPA. En prenant en compte les termes non-linéaires du mouvement, j'ai pu démontrer la présence de chaos pour certains paramètres de fonctionnement, ce qui a permis de mieux comprendre les signaux de détection. Finalement, en utilisant le même formalisme, un modèle simple du phénomène de synchronisation des ions dans ce type de piège a pu être proposé et a donné des premières prédictions en accord avec les expériences.\par La compréhension de la dynamique permet de nombreuses applications intéres\-santes dans des domaines variés. En physique atomique, l'EIBT permet de mesurer des durées de vie d'états métastables. En biologie et en médecine, ce piège peut être considéré comme un spectromètre de masse ayant une gamme en masse infinie. Enfin, pour des expériences de métrologie, il semble possible de refroidir le mouvement transverse par refroidissement résistif ou évaporatif.

Cette thèse a pour objectif de caractériser et comprendre l'impact du vieillissement sur l'évolution de l'efficacité des différentes fonctionnalités d'un piège à NOx. L'approche repose sur l'étude d’un catalyseur commercial en associant la caractérisation sur banc gaz synthétique des fonctionnalités du piège à NOx à l'état frais et après différentes conditions de vieillissement, la mise en œuvre d'analyses physico-chimiques, ainsi que la réalisation d'essais FTIR en conditions in-situ et operando. Après vieillissement thermique, la fonction de stockage des NOx est impactée par deux facteurs principaux : le frittage du platine, et celui du support oxyde. Le frittage du platine a plusieurs effets : il diminue le pouvoir oxydant du système (donc la quantité de NO2 formé, intermédiaire essentiel dans la formation des nitrates) et change l'interface Pt/Ba qui est essentielle au stockage des NOx par le mécanisme de spillover. L’impact thermique sur le support diminue la quantité des sites de stockage disponibles. Après un empoisonnement par le soufre, les sites de stockage sont impactés en surface et dans le cœur du matériau. Les sulfates se coordinent sur tous les constituants du piège à NOx en occupant tous les sites disponibles et les nitrates ne parviennent pas à les déplacer, comme le montrent les essais réalisés en FTIR Operando. Lors de la régénération à 600 °C, nous pouvons remarquer le passage des sulfates de cœur en surface, ce qui constitue une régénération partielle du piège à NOx, insuffisante pour en rétablir les fonctionnalités
This thesis aims to characterize and understand the impact of aging on the evolution of different functionalities of a NOx trap catalyst. The approach is based on the study of a commercial catalyst characterization by combining synthetic gas bench reactivity study of the NOx trap in the fresh state and after different aging conditions, physical and chemical analyses and in-situ and operando FTIR tests. After thermal aging, the NOx storage function is affected by two main factors: platinum and support sintering. Pt sintering has several effects: it decreases the oxidizing power of the system (lowering therefore the NO2 yield, main intermediate in the nitrate formation) and it changes the Pt/Ba interface, which is essential for NOx storage by the spillover mechanism. Both surface and bulk NOx storage sites are impacted by sulfur poisoning. Sulfates are coordinated on all available material sites and are too stable to be removed by nitrates, as shown by Operando FTIR. During regeneration at 600 °C, we can observe that bulk sulfates diffuse back to the surface, only partially regenerating the trapping sites. That is not enough to recover the storage functionalities

Dans ce mémoire, nous présentons trois études effectuées sur un condensat de Bose-Einstein dans un piège très anisotrope. Nous nous intéressons en premier lieu au comportement du nuage thermique à des température proches de la température critique. Nous mettons en particulier en évidence un décalage de la température critique et une réduction de la fraction condensée dûs aux interactions, en bon accord avec une description de type Hartree-Fock du nuage mixte. Dans une seconde partie, nous étudions théoriquement et expérimentalement le taux d'extraction et le mode spatial d'un laser à atomes extrait du condensat par un coupleur radio-fréquence. Nous concluons que les interactions sont en grande partie responsables de la divergence observée. Enfin, nous consacrons un part importante de ce mémoire à l'étude des fluctuations de phase dans un (quasi-)condensat très allongé, étude basée sur la mesure de la distribution en impulsion par spectroscopie de Bragg. Nous mettons en évidence que la distribution en impulsion devient Lorentzienne en présence de fluctuations de phase importantes. Nos mesures de la largeur en impulsion, et l'observation de fluctuations de densité fortement réduites par rapport à une distribution thermique "ordinaire", confirment la validité de l'approche de Bogoliubov pour décrire les quasi-condensats en dimensionnalité réduite.

Nous rappelons les propriétés de symétrie du problème Coulombien à trois corps. Combinées à un choix pertinent de variables d'espace et de fonctions de base, elles permettent d'écrire l'Hamiltonien effectif du problème sous la forme d'une matrice bande qui peut être diagonalisée numériquement avec efficacité. Nous avons appliqué ces calculs aux ions moléculaires H2+ et HD+, mais aussi aux ions moléculaires exotiques de type mupp. A partir des fonctions d'onde, nous avons calculé les spectres de photodissociation de H2+, étendu le calcul des taux de transition à deux photons au cas de HD+, et déterminer les durées de vie radiatives et Coulombiennes des résonances des ions exotiques.

Nous présentons l'expérience, actuellement en cours de construction, de spectroscopie à deux photons sans effet Doppler dans l'ion H2+. Nous piégeons et sélectionnons les ions dans le niveau fondamental. La transition vers le premier état excité est en cours de réalisation. Dans l'objectif de déterminer le rapport de la masse du proton à la masse de l'électron nous montrons que la spectroscopie de l'ion HD+ est plus favorable. Ce résultat sera expérimentalement valorisé à l'avenir.

Nous presentons une nouvelle technique de spectrometrie de masse par transformee de fourier utilisant un piege quadripolaire radiofrequence. Les ions sont crees a l'exterieur du piege par echange de charge entre molecules et atomes de rydberg, puis y sont introduits et ralentis uniquement par champs electriques. Le confinement est realise dans les conditions suivantes: le piege fonctionne sur un point de confinement optimum: la charge d'espace est nulle car, statistiquement, moins d'un ion est confine par experience; la pression actuelle dans le piege permet d'assurer un temps de coherence du signal de quelques dizaines de millisecondes. Apres son sejour dans la trappe, l'ion est ejecte par une commande synchrone avec le champ de confinement. Pour differents temps de confinement et un grand nombre d'experiences, nous etablissons l'histogramme des temps de vol de l'ion de sa position dans la trappe au moment de l'ejection jusqu'au detecteur. Le signal d'ions, en fonction du temps de confinement, est reconstitue pour differents temps de vol. Ce signal contient les informations frequentielles du mouvement des ions qui permettent, a partir des parametres experimentaux, de remonter a la valeur du rapport masse sur charge des ions confines. Les resultats actuels, sur les ions isotopiques xe#+ et les ions metastables sf#6#, sont tres prometteurs: nous pouvons mesurer deux masses separees de moins d'une u. M. A. Avec un pouvoir de resolution massique d'environ 500 pour la masse 146. De plus, le rapport signal sur bruit du spectre est d'environ 4 pour un ion. Les calculs montrent que les limites n'ont pas encore ete atteintes par le dispositif experimental actuel. Apres amelioration, nous envisageons son utilisation pour l'etude de reactions binaires, en spectrometrie de masse a haute resolution et pour la detection de traces

Cette thèse propose une nouvelle méthode pour caractériser la structure d'intermédiaires réactionnels organométalliques et, en général, d'ions moléculaires en phase gazeuse. Les techniques modernes d'ionisation en spectrométrie de masse permettent le transfert des espèces chimiques de la solution vers la phase gazeuse, et une technique spectroscopique émergente dite IRMPD (InfraRed Multiple Photon Dissociation) est utilisée pour caractériser leur structure.
Nous avons développé cette technique avec deux spectromètres de masse (un piège ICR et un piège quadripolaire de Paul) couplés au laser à électrons libres d'Orsay. Cette source infrarouge a l'intensité requise pour induire l'absorption résonante de multiples photons, et son accordabilité dans l'infrarouge (700-2200cm-1) a été exploitée pour caractériser une grande variété d'ions sélectionnés en masse, en particulier des systèmes organométalliques.
Une partie de cette thèse a été dédiée à la mise au point des deux montages expérimentaux, ainsi qu'à la modélisation des spectres IRMPD. Nous montrons que ceux-ci sont très semblables aux spectres infrarouges d'absorption calculés à l'aide de la fonctionnelle de la densité B3LYP. Nous montrons que l'IRMPD permet de caractériser le spin du métal et le mode de coordination d'un ligand polydentate dans des espèces organométalliques réactives très difficiles à caractériser en phase condensée.
La réaction d'allylation des amines par un alcool allylique, catalysée par un complexe du palladium, a été étudiée. Plusieurs cycles catalytiques sont proposés, et le spectre IRMPD des intermédiaires réactionnels observés permet, en caractérisant leur structure, de valider un cycle catalytique.