Étude expérimentale de la relaxation du rubidium en présence d'hélium

Abstract
We present in this paper an experimental study of the relaxation in helium of Rb atoms polarized by optical pumping. Enriched isotopes 87Rb, 85Rb, 4He and 3He have been used. Different sources of systematic errors are discussed. The time evolution of < Sz > is found to involve two exponentials with time constants τ and τ' whose variation versus helium pressure has been studied in the range 16 to 700 torrs. At low pressures, τ and τ' are to be associated with the first and second diffusion modes of Rb atoms through the helium gas to the totally disorienting walls. This leads to the following values of the diffusion coefficient of Rb atoms in helium at atmospheric pressure and at 300 °K : D0(Rb-4He) = 0.42 ± 0.06 cm 2/s which is found independent of the Rb isotope and D 0(Rb-3He)/D0(Rb-4He) = 1.25 ± 0.1. The interpretation of these results is given. At the opposite end of the explored pressure range, τ and τ' are close to the time constants of the relaxation induced on < Sz > by gas collisions (a correction has to be done for substracting the effect induced by wall collisions). One thus gets the following cross-sections : σn( 87Rb-He) = 0.47 × 10-24 cm2, σn( 85Rb-He) = 0.27 × 10-24 cm2 for observable < Iz > and σe(Rb-He) = 8.2 × 10-24 cm2 for observable < Qe >. Cross-sections relative to 4He and 3He are found the same ; this is in agreement with the assumption according to which the relaxation of Rb atoms against rare gas atoms is due to the spin-orbit interaction. The effect of the nuclear spin of 3He could not be detected, we conclude that it is smaller than was theoretically predicted. The ratio of the two cross-sections σn relative to 85Rb and 87Rb is understood, as well as the equality of σe for the two Rb isotopes. However to explain the value found for σ n/σe, one is led to make assumptions about the correlation function of the disorienting interaction for which a theoretical justification is not available at the present time. Complementary measurements would be useful to elucidate more completely the relaxation of Rb in helium.

Résumé
On décrit une étude expérimentale de la relaxation, en présence d'hélium, d'atomes de Rb polarisés par pompage optique. Des isotopes enrichis de 87Rb, 85Rb, 4He et 3He ont été utilisés. Différentes causes possibles d'erreurs systématiques sont discutées. On observe que la relaxation de < Sz > est caractérisée par deux constantes de temps τ et τ' dont on a mesuré la variation en fonction de la pression p d'hélium (entre 16 et 700 torrs). A basse pression, τ et τ' sont associés aux deux premiers modes de diffusion des atomes vers la paroi totalement désorientante (paroi non enduite). On en déduit le coefficient de diffusion de Rb dans l'hélium à la pression atmosphérique et à 300 °K : D0(Rb-4He) = 0,42 ± 0,06 cm2/s, indépendant de l'isotope Rb et D0(Pb-3He)/D 0(Rb-4He) = 1,25 ± 0,1 et on interprète ces résultats. Aux fortes pressions, au contraire, τ et τ' sont approximativement les constantes de temps de la relaxation de < Sz > induite sous l'effet des chocs contre le gaz (une correction est apportée pour tenir compte de la relaxation sur la paroi après diffusion dans le gaz). On en déduit les sections efficaces σn(87Rb-He) = 0,47 × 10-24 cm2 et σn(85Rb-He) = 0,27 × 10-24 cm2 pour l'observable < Iz >, et σe(Rb-He) = 8,2 × 10-24 cm 2 pour l'observable < Qe >. L'identité des sections efficaces mesurées pour 4He et 3He est compatible avec l'hypothèse selon laquelle l'interaction désorientatrice prédominante est d'origine spin-orbite. L'effet du spin nucléaire de 3He est indécelable et donc plus faible qu'il n'était attendu théoriquement. La variation de σ n, quand on passe de 85Rb à 87Rb, est comprise, ainsi que l'identité de σe pour ces deux isotopes. Par contre, pour expliquer le rapport σn/σe, on est amené à faire certaines hypothèses sur la fonction de corrélation de l'interaction désorientatrice que nous ne savons pas justifier à ce stade sur le plan théorique. Pour élucider complètement le mécanisme de la relaxation du Rb en présence d'hélium, il apparaît que des mesures complémentaires sont nécessaires.