Quantum gases of Chromium : thermodynamics and magnetic properties of a Bose-Einstein condensate and production of a Fermi sea

par Bruno Naylor

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bruno Laburthe-Tolra et de Laurent Vernac.

Soutenue le 06-12-2016

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) , en partenariat avec Université Paris 13 (établissement de préparation) et de Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) (laboratoire) .

Le président du jury était Vincent Lorent.

Le jury était composé de Mattheo Zaccanti.

Les rapporteurs étaient Antoine Browaeys, Fabrice Gerbier.

  • Titre traduit

    Gaz quantiques de Chrome : propriétés thermodynamiques et magnétiques d’un condensat de Bose-Einstein et production d’une mer de Fermi


  • Résumé

    Le manuscrit présente des expériences réalisées avec des gaz quantiques de Chrome, un élément présentant un large spin électronique S=3 et des interactions dipolaires non négligeables. Nous avons produit un nouveau gaz quantique, une mer de Fermi avec l'isotope ⁵³Cr, en optimisant la co-évaporation avec l'isotope bosonique, contenant jusqu’à 1000 atomes a T=TF= 0.66± 0.08. Nous avons obtenu de nouveaux résultats sur la thermodynamique d'un condensat de Bose Einstein (CBE) avec degré de liberté de spin. En refroidissant rapidement un gaz thermique multi-composante, nous observons que la dynamique de condensation est affectée par les collisions d'échange de spin. Nous démontrons aussi un nouveau mécanisme de refroidissement, utilisant le degré de liberté de spin, lorsque le CBE est produit dans le niveau de spin de plus basse énergie. Les interactions dipolaires peuplent thermiquement les états de spin excités à bas champ magnétique, et une purification du CBE est obtenue en retirant sélectivement ces atomes. Enfin nous présentons des expériences de dynamique de spin. Dans une première expérience, cette dynamique est obtenue en utilisant un double puits avec des états de spin opposés. Ceci a permis une première mesure d'une des longueurs de diffusion du ⁵²Cr: ɑo = 13.5 ±¹⁵ ₁₀ aB. Nous présentons également des résultats préliminaires dans un piége harmonique et dans un réseau3D. La dynamique de spin est produite par rotation du spin des atomes. La comparaison avecla théorie nous permet de mettre en évidences l'apparition de corrélations quantiques.


  • Résumé

    This thesis presents experimental results performed with Quantum gases of Chromium atoms. The specificity of Chromium resides in its large electronic spin S=3 and non negligible dipole-dipole interaction (DDI) between atoms. We produced a new quantum gas, a Fermi sea of the ⁵³Cr isotope. Optimization of the co-evaporation with the ⁵²Cr bosonic isotope leads to 10³ atoms at T=TF= 0.66± 0.08. We obtained new results on thermodynamics of a spinor Bose gas. By "shock cooling" a thermal multi-spin component gas, we find that the dynamics of the BEC is affected by spin changing collisions. We also demonstrate a new cooling mechanism based on the spin degrees of freedom when the Bose Einstein condensate (BEC) is in the lowest energy spin state. Dipolar interactions thermally populate spin excited states at low magnetic field. Purication of the BEC is obtained by selectively removing these thermal atoms. Finally, we present spin dynamics experiments. spin following preparation of atoms in a double well trap in opposite stretch spin states allow to measure the last unknown scattering length of ⁵²Cr: ɑo = 13.5 ±¹⁵ ₁₀ ɑB (with ɑB the Bohr radius). We then present preliminary results performed in a 3D lattice and in the bulk, where spin excitation is performed by a spin rotation. We investigate for different experimental congurations which of a theory with or without quantum correlations ts best our data.


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