POMPAGE OPTIQUE

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Exemple du sodium

États quantiques du sodium

Pour analyser le mécanisme du pompage optique, on va considérer l'exemple d'un atome alcalin, celui du sodium, en faisant abstraction de la complication de structure hyperfine qui est due à l'existence du spin et du moment magnétique nucléaire du 23Na. Cette simplification est justifiée dans le cas où le champ magnétique appliqué est suffisamment fort pour produire des intervalles Zeeman qui sont grands par rapport aux intervalles de structure hyperfine.

L'état fondamental de l'atome de sodium est un état désigné par le symbole S1/2 par les spectroscopistes. Dans un tel état, le moment magnétique de l'atome, égal à un magnéton de Bohr, est dû au spin de l'électron de valence. Ce moment peut s'orienter soit dans le sens du champ magnétique, soit en sens opposé. Chacune de ces orientations correspond à un état Zeeman. L'état Zeeman pour lequel le moment magnétique est orienté dans le sens du champ possède l'énergie la plus basse et est noté : état m = − 1/2 ; l'état Zeeman pour lequel le moment magnétique est orienté en sens opposé à celui du champ est noté : m = + 1/2. L'intervalle d'énergie entre ces deux états m de l'état fondamental est proportionnel au champ magnétique appliqué.

Dans la vapeur de sodium, à température modérée (300 à 400 K), les deux états m = − 1/2 et m = + 1/2 possèdent sensiblement la même population : 50 p. 100 des atomes se trouvent dans l'un des états Zeeman et 50 p. 100 dans l'autre.

La vapeur de sodium absorbe très fortement la lumière jaune émise par une lampe à sodium. Cette lumière est composée de deux radiations monochromatiques D1 et D2, dont les nombres d'onde diffèrent de 17 cm−1 et qu'on distingue aisément avec un bon spectroscope. L'absorption de la radiation D1 porte l'atome de sodium de l'état fondamental S1/2 à un état excité que les spectroscopistes désignent par le symbole P1/2 ; l'absorption de la radiation D2 porte l'atome à un état excité voisin appelé P3/2. Dans un champ magnétique, l'état P1/2 est décomposé en deux états Zeeman que l'on notera m′ = − 1/2 et m′ = + 1/2. L'intervalle d'énergie qui les sépare est trois fois plus petit que celui correspondant à l'état fondamental. L'autre état excité P3/2 est décomposé par le champ magnétique en quatre états Zeeman équidistants.

Pour simplifier, on se bornera à étudier l'action sur la vapeur de sodium de la raie D1.

Le schéma de la figure indique la structure Zeeman des deux états S1/2 et P1/2 et montre que la raie D1 se décompose en quatre composantes (composantes Zeeman) qu'on désigne par les lettres a, b, c et d.

Structure Zeeman

Dessin : Structure Zeeman

Structure Zeeman de la raie D1 de l'atome de sodium 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Ces quatre composantes ont des fréquences légèrement différentes (dans un champ de 10 000 G, l'écart entre les composantes extrêmes a et d n'est que de 1,3 cm−1), mais elles se distinguent également par leur état de polarisation. Les deux composantes internes b et c sont polarisées rectilignement, le vecteur électrique de l'onde électromagnétique étant parallèle au champ magnétique (polarisation π), tandis que les deux composantes externes a et d sont polarisées circulairement dans un plan perpendiculaire au champ. Leurs sens de circulation sont opposés : on dit que a possède la polarisation σ et que d possède la polarisation σ+. Ce dernier sens de circulation est celui du courant électrique dans les bobines de l'électro-aimant qui produit le champ.

Mécanisme du pompage optique

On peut tirer parti de ces différences de polarisation pour faire du pompage optique sélectif. En polarisant circulairement la lumière incidente de la lampe de sodium, conformément à σ+, on isole dans la lumière excitatrice la composante Zeeman d de la raie D1, et la figure montre que seuls les atomes qui sont à l'état fondamental dans l'état Zeeman m = − 1/2 peuvent absorber cette raie. Ils sont ainsi portés à l'état excité Zeeman correspondant à m′ = + 1/2. Par ce processus d'excitation, on peuple donc cet état à l'exclusion de l'état m′ = − 1/2. Tous les atomes ainsi excités ont leurs moments magnétiques orientés dans le même sens (dans ce cas, le sens opposé à celui du champ). À partir de l'état excité m′ = + 1/2, les atomes retombent à l'état fondamental par émission spontanée, la durée moyenne de séjour d'un atome dans l'état excité n'étant que de l'ordre de 10−8 s (durée de vie de l'état excité). Les atomes peuvent emprunter deux voies pour retourner à l'état fondamental, la voie d (la même qu'à la montée) ou la voie b. La première les ramène à l'état de départ m

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Structure Zeeman

Structure Zeeman
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Signal transitoire de l'intensité lumineuse en fonction du temps au cours du pompage optique

Signal transitoire de l'intensité lumineuse en fonction du temps au cours du pompage optique
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Résonance magnétique nucléaire de l'isotope 199 du mercure

Résonance magnétique nucléaire de l'isotope 199 du mercure
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Pour citer l’article

Alfred KASTLER, « POMPAGE OPTIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 22 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/pompage-optique/