Absorption saturée
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En physique atomique, l'absorption saturée est une technique expérimentale qui permet de déterminer avec précision la fréquence de transition d'un atome entre son état fondamental et un niveau excité, en particulier lorsque la fréquence est dans le domaine optique. Dans l'idéal, la limite de précision qu'il serait souhaitable d'atteindre est la limite quantique déterminée par la largeur naturelle de la transition, qui dépend de l'inverse du temps de vie de l'état excité. Cependant, les expériences sont en général réalisées sur des vapeurs atomiques à température ambiante, où l'absorption en fonction de la fréquence est fortement élargie à cause de l'effet Doppler. L'absorption saturée permet de connaître précisément la fréquence de l'atome sans avoir besoin de refroidir l'échantillon à des températures où l'effet Doppler deviendrait négligeable (ce qui correspondrait à des températures de l'ordre du millikelvin). Cette technique est utilisée couramment dans les expériences de physique atomique pour verrouiller la fréquence d'un laser sur la fréquence de transition d'un atome.
D'après la description standard de l'interaction atome-lumière, un atome peut absorber une partie du champ électromagnétique si celui-ci est à la bonne fréquence. Plus précisément, le spectre d'absorption d'un atome est une fonction lorentzienne centré sur la fréquence propre de l'atome, (qu'on cherche à déterminer) et de largeur . Par exemple pour l'atome de rubidium 87[1], THz et MHz. Si l'on dispose d'une cellule de vapeur atomique à température ambiante, alors la distribution des vitesses des atomes suivra une distribution de Maxwell-Boltzmann :
où N est le nombre d'atomes, la constante de Boltzmann et m la masse des atomes. D'après la formule de l'effet Doppler pour des atomes non-relativistes, leur fréquence de résonance dans le référentiel du laboratoire dépend de leur fréquence propre et de leur vitesse dans le référentiel du laboratoire v :
On peut remplacer la valeur de v dans la distribution des vitesses par une expression dépendant de , et de c la vitesse de la lumière. On obtient alors le spectre d'absorption de l'atome, qui est une gaussienne (en réalité un convolution entre une gaussienne et une lorentzienne, mais qu'on peut ici négliger à cause des ordres de grandeur ci-dessous) centrée en et de largeur à mi-hauteur
Pour un atome de rubidium à température ambiante, on obtient
Ainsi sans autre dispositif expérimental la mesure de l'absorption d'une vapeur d'atomes pour connaître les fréquences de transition donnera un résultat dont l'incertitude sera lié à l'élargissement Doppler plutôt qu'à l'incertitude fondamentale qui existe sur cette fréquence.
