Application of lasers to ultra-cold atoms and molecules

Hélène Perrin; Pierre Lemonde; Franck Pereira dos Santos; Vincent Josse; Bruno Laburthe Tolra; Frédéric Chevy; Daniel Comparat

doi:10.1016/j.crhy.2011.04.013

Article for the 50th anniversary of the invention of the LASER

Application of lasers to ultra-cold atoms and molecules
[Application des lasers aux atomes et molécules froids]

Hélène Perrin ^1,² ; Pierre Lemonde ^3,² ; Franck Pereira dos Santos ^3,² ; Vincent Josse ^4,² ; Bruno Laburthe Tolra ^1,² ; Frédéric Chevy ^5,² ; Daniel Comparat ^6,²

¹ Laboratoire de physique des lasers, CNRS and Université Paris 13, 99, avenue J.-B. Clément, 93430 Villetaneuse, France
² IFRAF, institut francilien de recherche sur les atomes froids, 45, rue dʼUlm, 75005 Paris, France
³ LNE-SYRTE, observatoire de Paris, CNRS and UPMC, 61, avenue de lʼobservatoire, 75014 Paris, France
⁴ LCFIO, institut dʼoptique Graduate School and CNRS, campus Polytechnique, RD128, 91127 Palaiseau cedex, France
⁵ Laboratoire Kastler Brossel, ENS, CNRS, UPMC, 24, rue Lhomond, 75005 Paris, France
⁶ Laboratoire Aimé-Cotton, CNRS, Univ Paris-Sud, bât. 505, 91405 Orsay cedex, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 12 (2011) no. 4, pp. 417-432.

Résumé
Abstract

Cette revue présente lʼimpact de lʼavènement des lasers pour la physique des atomes ultrafroids, des molécules, et de leurs applications. Après un rappel historique sur le développement du refroidissement dʼatomes depuis les années 1960, nous présenterons quelques applications importantes des atomes ultra froids, pour lesquelles les lasers jouent un rôle essentiel. Ils sont tout dʼabord utilisés pour refroidir les atomes jusquʼà des températures très basses, de lʼordre du microkelvin. Lʼutilisation de ces atomes froids en métrologie du temps et des fréquences a permis dʼatteindre des degrés dʼexactitude inégalés dans les horloges atomiques. Les atomes froids sont également une source de choix pour concevoir des senseurs inertiels basés sur lʼinterférométrie atomique. Dans un second temps, les atomes peuvent être refroidis davantage, jusquʼau seuil de la condensation de Bose–Einstein, aux alentours de 0,1 microkelvin. Ils se comportent alors comme une onde de matière cohérente, un « laser à atomes », quʼon pourra utiliser en interférométrie atomique comme on utilise les lasers en interférométrie optique. Les condensats peuvent eux-mêmes être confinés par des lasers focalisés, ce qui permet par exemple dʼétudier le degré de liberté de spin ou de manipuler les interactions entre atomes. Grâce au grand degré de contrôle que lʼon a sur les paramètres clé (densité, interactions, température, spin, …), les atomes froids sont à présent utilisés comme simulateurs quantiques : des systèmes plus complexes sont accessibles à lʼexpérience, comme les ensembles atomiques fortement corrélés ou les molécules. Celles-ci peuvent être produites par association dʼatomes ultra froids, ou par refroidissement de molécules, ces deux approches ayant conduit récemment à des avancées spectaculaires.

In this review, we discuss the impact of the development of lasers on ultra-cold atoms and molecules and their applications. After a brief historical review of laser cooling and Bose–Einstein condensation, we present important applications of ultra-cold atoms, including time and frequency metrology, atom interferometry and inertial sensors, atom lasers, simulation of condensed matter systems, production and study of strongly correlated systems, and production of ultra-cold molecules.

Publié le : 2011-05-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2011.04.013

Keywords: Laser, Cooling, Ultra-cold, Atom, Molecule, Metrology
Mot clés : Laser, Refroidissement, Ultra froid, Atome, Molécule, Métrologie

Affiliations des auteurs :

Hélène Perrin ^{1, 2} ; Pierre Lemonde ^{3, 2} ; Franck Pereira dos Santos ^{3, 2} ; Vincent Josse ^{4, 2} ; Bruno Laburthe Tolra ^{1, 2} ; Frédéric Chevy ^{5, 2} ; Daniel Comparat ^{6, 2}

¹ Laboratoire de physique des lasers, CNRS and Université Paris 13, 99, avenue J.-B. Clément, 93430 Villetaneuse, France
² IFRAF, institut francilien de recherche sur les atomes froids, 45, rue dʼUlm, 75005 Paris, France
³ LNE-SYRTE, observatoire de Paris, CNRS and UPMC, 61, avenue de lʼobservatoire, 75014 Paris, France
⁴ LCFIO, institut dʼoptique Graduate School and CNRS, campus Polytechnique, RD128, 91127 Palaiseau cedex, France
⁵ Laboratoire Kastler Brossel, ENS, CNRS, UPMC, 24, rue Lhomond, 75005 Paris, France
⁶ Laboratoire Aimé-Cotton, CNRS, Univ Paris-Sud, bât. 505, 91405 Orsay cedex, France

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Hélène Perrin; Pierre Lemonde; Franck Pereira dos Santos; Vincent Josse; Bruno Laburthe Tolra; Frédéric Chevy; Daniel Comparat. Application of lasers to ultra-cold atoms and molecules. Comptes Rendus. Physique, Volume 12 (2011) no. 4, pp. 417-432. doi : 10.1016/j.crhy.2011.04.013. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2011.04.013/

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