Refractive Index for Atomic Waves: Theory and Detailed Calculations

C. Champenois; E. Audouard; P. Duplàa; J. Vigué

doi:doi:10.1051/jp2:1997144

Numéro		J. Phys. II France Volume 7, Numéro 4, April 1997


Page(s)		523 - 541
DOI		https://doi.org/10.1051/jp2:1997144

DOI: 10.1051/jp2:1997144
J. Phys. II France 7 (1997) 523-541

Refractive Index for Atomic Waves: Theory and Detailed Calculations

C. Champenois¹, E. Audouard¹, P. Duplàa² and J. Vigué¹

¹ Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité CNRS UMR 5589, IRSAMC, Université Paul Sabatier, 118 route de Narbonne, 31062 Toulouse Cedex, France
² Laboratoire de Physique Quantique CNRS UMR 5626, IRSAMC, Université Paul Sabatier, 118 route de Narbonne, 31062 Toulouse Cedex, France

(Received 29 January 1996, revised 21 October 1996, accepted 6 January 1997)

Abstract
This paper describes new theoretical results and calculations concerning the recently introduced index of refraction of a gas for atomic waves. More precisely, the motion of the atoms of the gas is taken into account and the equation describing the Doppler and Fizeau effects is introduced. The case where the atoms of the wave and the gas have spin 1/2 is also discussed and the rotatory power and circular dichroism of an optically pumped gas is calculated. Finally, the index of the rare gases for sodium waves is calculated. The results show how important it is to take into account glory scattering and Doppler averaging to make a meaningful comparison with experiments. The index appears to be very sensitive to the precise value of the quantum parameter $B = 2\mu D_{\rm e}\sigma^2$ (in atomic unit). Using the available interaction potential curves, we obtained a reasonably good agreement between the measurements and the corresponding calculated values. However, some experimental results appear difficult to explain with the best available interaction potentials.

Résumé
Ce travail présente une étude théorique de l'indice de réfraction pour une onde de matière se propageant dans un gaz. Le calcul de l'indice prend en compte le mouvement des atomes du gaz et met en évidence les effets Doppler et Fizeau. Le cas où les atomes du gaz et ceux de l'onde ont un spin 1/2 est également discuté, ce qui permet le calcul du pouvoir rotatoire et du dichroïsme circulaire d'un gaz optiquement pompé. Finalement, l'indice de l'hélium, du néon, de l'argon, du krypton et du xénon est calculé pour une onde de sodium. Ces calculs montrent l'importance des effets de gloire et de la moyenne thermique. Ces effets doivent donc être pris en compte pour l'interprétation précise des résultats expérimentaux. De plus, il apparaît que l'indice dépend fortement du paramètre quantique $B = 2\mu D_{\rm e}\sigma^2$ (en unité atomique). En utilisant les potentiels sodium-gaz rares disponibles dans la littérature, nous obtenons un accord raisonnable entre l'indice calculé et les résultats expérimentaux. Cependant, il reste difficile de rendre compte de certaines valeurs expérimentales avec les meilleurs potentiels actuellement disponibles.