Des premiers lasers à gaz carbonique aux interféromètres atomiques et moléculaires

Christian J. Bordé

doi:10.1016/j.crhy.2019.07.006

Science in the making 2 : From 1940 to the early 1980s / La science en mouvement 2 : de 1940 aux premières années 1980

Des premiers lasers à gaz carbonique aux interféromètres atomiques et moléculaires

Christian J. Bordé ^1,²

¹ LNE–SYRTE, UMR 8630 du CNRS, Observatoire de Paris, 61, avenue de l'Observatoire, 75014 Paris, France
² Laboratoire de physique des lasers, UMR 7538 CNRS, Université Paris-Nord, 99, avenue Jean-Baptiste-Clément, 93430 Villetaneuse, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 20 (2019) no. 7-8, pp. 682-693.

Résumé
Abstract

L'objectif de cette publication est de faire émerger le fil conducteur qui m'a guidé sur un chemin parfois chaotique depuis la spectroscopie jusqu'à l'interférométrie atomique. La recherche d'un pouvoir de résolution toujours croissant a entraîné les spectroscopistes à prendre en compte le mouvement externe des atomes et des molécules. L'élargissement Doppler habituel puis l'effet Doppler relativiste pouvaient s'accommoder d'un traitement classique de ce mouvement externe. Mais l'effet de recul s'est imposé pour faire respecter la conservation de la quantité de mouvement entre atomes et lumière. Dès lors, il était devenu impératif de traiter simultanément et de façon quantique les degrés de liberté internes et les degrés de liberté externes des atomes et molécules. Les processus impliqués dans les différentes méthodes de spectroscopie sont alors apparus comme des phénomènes d'interférence quantique entre différents chemins d'espace-temps corrélés avec les changements d'état interne des objets. Ces interférences sont bien représentées par des diagrammes de matrice densité. La notion d'interféromètre atomique est alors rendue manifeste dans ces diagrammes. La méthode des champs séparés de Ramsey peut être interprétée comme un processus interférométrique dans l'espace interne aux atomes qui peut être étendue au domaine optique grâce à une interférence dans l'espace externe qui annule l'effet Doppler du premier ordre. Les nouveaux interféromètres sont des senseurs inertiels en même temps que des horloges, une phase externe s'ajoutant à la phase interne. Une description unifiée se fait naturellement dans un espace à cinq dimensions qui combine ces deux aspects en ajoutant la dimension interne liée au temps propre à l'espace-temps externe. Elle offre une classification naturelle des interféromètres à partir du tenseur métrique et de ses dérivées. À titre d'exemple, on introduit ainsi le concept d'interféromètre chiral pour rechercher une propriété chirale de l'espace-temps, telle que sa torsion.

The objective of this publication is to bring out the common thread that has guided me on a sometimes chaotic path from spectroscopy to atomic interferometry. The search for an ever-increasing resolving power has led spectroscopists to take into account the external motion of atoms and molecules. The usual Doppler broadening and then the relativistic Doppler effect could be accommodated with a classical treatment of this external motion. But the recoil effect has required to introduce explicitly momentum conservation between light and atoms. This has imposed to treat simultaneously internal and external degrees of freedom in a quantum way. The processes involved in the different spectroscopy methods then appeared as quantum interference phenomena between different space-time paths correlated with changes in the internal state of objects. These interferences are well represented by density matrix diagrams. The notion of atomic interferometer is made evident in these diagrams. The Ramsey separate field method can be interpreted as an interferometric process in the internal space of atoms and can be extended to the optical domain through an interference in the external space that cancels out the first-order Doppler effect. The new interferometers are inertial sensors together with clocks, with an external phase added to the internal phase. A unified description is naturally made in a five-dimensional space that combines these two aspects by adding the internal dimension represented by proper time to the external space-time. It offers a natural classification of interferometers from the metric tensor and its derivatives. As an example, we introduce the concept of a chiral interferometer to detect any chirality of space-time such as torsion.

Publié le : 2019-08-06

DOI : 10.1016/j.crhy.2019.07.006

Mot clés : Spectroscopie de saturation, Effet de recul, Diagrammes de matrice densité, Interféromètres de Bordé–Ramsey, Optique à cinq dimensions
Keywords: Saturation spectroscopy, Recoil effect, Density matrix diagrams, Bordé–Ramsey interferometers, 5D-optics

Affiliations des auteurs :

Christian J. Bordé ^{1, 2}

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Christian J. Bordé. Des premiers lasers à gaz carbonique aux interféromètres atomiques et moléculaires. Comptes Rendus. Physique, Volume 20 (2019) no. 7-8, pp. 682-693. doi : 10.1016/j.crhy.2019.07.006. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2019.07.006/

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