Magnetically assisted Sisyphus effect

Olivier Emile; Robin Kaiser; Christoph Gerz; Hartmut Wallis; Alain Aspect; Claude Cohen-Tannoudji

doi:doi:10.1051/jp2:1993226

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Numéro		J. Phys. II France Volume 3, Numéro 12, December 1993


Page(s)		1709 - 1733
DOI		https://doi.org/10.1051/jp2:1993226

DOI: 10.1051/jp2:1993226
J. Phys. II France 3 (1993) 1709-1733

Magnetically assisted Sisyphus effect

Olivier Emile, Robin Kaiser, Christoph Gerz, Hartmut Wallis, Alain Aspect and Claude Cohen-Tannoudji

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l'Ecole Normale Supérieure et Collège de France, 24 rue Lhomond, 75005 Paris, France

(Received 29 October 1992, received in final form 27 August 1993, accepted 30 August 1993)

Abstract
This paper presents an experimental and theoretical study of laser cooling in a standing wave in the presence of a small transverse magnetic field (Magnetically Assisted Sisyphus Effect: MASE). The analysis is worked out for a $J_{\rm g}=1$ to $J_{\rm e}=1$ transition corresponding to the experiment performed on the $2^{3}\rm S_{1}\longleftrightarrow 2^{3}\rm P_{1}$ transition of metastable helium. In this situation, MASE has an effect opposed to the usual Doppler cooling effect, i.e. it produces heating for a negative detuning. Depending on the various parameters, the competition between MASE and Doppler cooling, which act on different velocity ranges, leads to interesting new effects, such as a bistable force. The velocity dependence of the total force is calculated, using a semi-classical approach. A second theoretical treatment, where the atomic motion is quantized, is used to study the time evolution of the velocity distribution. The results of these calculations are compared to experimental observations.

Résumé
Cet article présente une étude expérimentale et théorique du refroidissement laser par une onde stationnaire quasi-résonnante en présence d'un champ magnétique transverse faible (Effet Sisyphe Magnétique). Les calculs théoriques ont été développés sur une transition $J_{\rm g}=1\to J_{\rm e}=1$ correspondant à la situation expérimentale que nous avons étudiée sur la transition $2^{3}\rm S_{1}\longleftrightarrow 2^{3}\rm P_{1}$ de l'hélium métastable. Dans ce cas, l'effet Sisyphe magnétique a une action opposée à celle du refroidissement Doppler habituel : il produit un chauffage pour un accord du laser en dessous de résonance. La compétition entre l'effet Sisyphe magnétique et le refroidissement Doppler, qui agissent sur des gammes de vitesse différentes, débouche sur de nouveaux effets intéressants, et notamment sur une force présentant un caractère bistable. Nous avons calculé la force totale en fonction de la vitesse en utilisant une approche semi-classique. Nous avons aussi utilisé une seconde approche théorique où l'impulsion atomique est quantifiée, et qui permet d'étudier d'évolution temporelle de la distribution en vitesse. Les résultats théoriques sont ensuite confrontés aux résultats expérimentaux.