Atomes de Rydberg : Étude pour la production d'une source d'électrons monocinétique. Désexcitation par radiation THz pour l'antihydrogène

Since 1975, Rydberg atoms have been studied and now used in quantum information for their particular interaction properties. However, these physical objects can be involved in various other applications, where their remarkable characteristics make them perfect tools. In this paper, we will focus on two distinct applications involving cesium Rydberg atoms. First, we will see how to use such atoms to produce a source of monocinetic electrons, thanks to the singular ionization mechanism of this type of atoms at a precise value of electric field dependent on the excitation level. The electrons thus produced are then extracted and their energy dispersion measured. Theoretically and according to the first experimental measurements made during the thesis, we will show that we can hope an energy dispersion of the electrons produced by this meV technique, a resolution never reached before. Today, this type of source is becoming an indispensable tool for the development and study of new materials by molecular scale chemical reaction control and for phonon mapping. In a second step, we will see that it is possible to de-energize a cloud of Rydberg atoms of various levels thanks to an external source in the tera-hertz domain. This project is part of the ongoing anti-matter experiments at CERN, which aim to unravel the mystery of the matter/anti-matter asymmetry. The current methods of production of antihydrogen, forms clouds of these anti-atoms in different Rydberg states. To study them, it is then necessary to de-energize as many antihydrogen atoms as possible to the fundamental level. We will present the method envisaged, as well as the results obtained experimentally on a device created during the thesis to show the feasibility of the technique. These first results show that it is possible to accelerate the deenergization of a Rydberg atom on a very high state thanks to a lamp behaving like a black body. We will detail the improvements envisaged, in particular to adapt the spectrum of the THz frequencies to use and prevent the photoionization of atoms, by filters or by spectral shaping via the use of a photomixer.Depuis les années 1975, les atomes de Rydberg sont étudiés et maintenant utilisés en information quantique pour leurs propriétés particulières d’interaction. Cependant, ces objets physiques peuvent se retrouver impliqués dans différentes autres applications, où leurs caractéristiques remarquables en font de parfaits outils. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons à deux applications distinctes faisant intervenir des atomes de Rydberg de césium. Tout d’abord, nous verrons comment utiliser de tels atomes pour produire une source d’électrons monocinétiques, grâce au mécanisme d’ionisation singulier de ce type d’atomes à une valeur précise de champ électrique dépendante du niveau d’excitation. Les électrons ainsi produits sont ensuite extraits et leur dispersion en énergie mesurée. On montrera notamment de façon théorique et d’après les premières mesures expérimentales réalisées pendant la thèse, que l’on peut espérer obtenir une dispersion en énergie des électrons produits par cette technique de l’ordre du meV, résolution jamais atteinte à ce jour. Ce type de source devient aujourd’hui un outil indispensable pour accéder à la mise au point et l’étude de nouveaux matériaux par contrôle de réactions chimiques à l’échelle moléculaire, et à la cartographie des phonons. Dans un second temps, nous verrons qu’il est possible de désexciter un nuage d’atomes de Rydberg de niveaux variés grâce à une source externe dans le domaine térahertz. Ce projet s’inscrit dans le cadre des expériences d’étude de l’antimatière menées actuellement au CERN, qui visent à élucider le mystère de l’asymétrie matière/antimatière. Les méthodes actuelles de production de l’antihydrogène, forment des nuages de ces anti-atomes dans différents états de Rydberg. Pour les étudier, il est alors nécessaire de désexciter le plus d’atomes d’antihydrogène possible vers le niveau fondamental. Nous présenterons la méthode envisagée, ainsi que les résultats obtenus expérimentalement sur un dispositif créé pendant la thèse pour montrer la faisabilité de la technique. Ces premiers résultats montrent qu’il est possible d’accélérer la désexcitation d’un atome de Rydberg sur un état très élevé grâce à une lampe se comportant comme un corps noir. Nous détaillerons les améliorations envisagées, en particulier pour adapter le spectre des fréquences THz à utiliser et empêcher la photoionisation des atomes, par des filtres ou par le façonnage spectral via l’utilisation d’un photomixer