Phase separation and spin domains in quasi-1D spinor condensates

par Andrea Invernizzi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Fabrice Gerbier et de Jean Dalibard.

Soutenue le 09-11-2017

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Kastler Brossel (Paris) (laboratoire) et de École normale supérieure (Paris ; 1985-....) (établissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était Anna Minguzzi.

Le jury était composé de Fabrice Gerbier, Jean Dalibard, Anna Minguzzi, Isabelle Bouchoule, Jan Arlt.

Les rapporteurs étaient Isabelle Bouchoule, Jan Arlt.

  • Titre traduit

    Séparation de phase et domaines de spin dans un condensat spineur quasi-1D


  • Résumé

    Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale d’un gaz de Bose de spin-1 avec des interactions antiferromagnétiques, réalisée pour des atomes de sodium ultra-froids dans l’état hyperfin F=1. Gr au refroidissement évaporatif, nous obtenons un condensat de Bose-Einstein (CBE) spineur, soit dans un piège très confinant (« piège 0D »), soit sous la forme d’un quasi-condensat quasi-unidimensionnel dans un piège très allongé. Les deux systèmes présentent un ordre magnétique a très basse température, qui résulte de la compétition entre les interactions d’échange et l’énergie Zeeman quadratique q dans un champ magnétique externe. Nous étudions dans un premier temps l’ordre magnétique se forme dans le piège 0D. À très bassetempérature deux phases magnétiques sont possible : une phase dite « antiferromagnétique » pour q < Us, ou une phase dite « à aimantation transverse » dans le cas inverse. Dans ce travail, nous nous plaçons près de la température critique. Nous mesurons plusieurs scénarios de condensation séquentielles en changeant la magnétisation et le champ magnétique externe, ou une composante Zeeman condense toujours en premier et ou l’ordre magnétique n’apparait qu’à une seconde température de condensation. Les résultats expérimentaux pour les températures critiques sont bien décrits par une théorie d’Hartree-Fock simplifiée dans les cas ou une seule composante Zeeman est condensée. Dans un second temps, nous étudions l’ordre magnétique du système quasi-unidimensionnel a basse température. On observe la formation de domaines de spin ou les composantes Zeeman se sépare spontanément en domaines disjoints en l’absence de force extérieure (par exemple, un gradient de champ magnétique). On étudie l’état d’équilibre du système en fonction de la magnétisation et du champ magnétique. On observe une transition de phase entre une phase miscible et une phase immiscible ou la composante Zeeman mF = 0 forme un domaine séparé de mF = ±1 dans le centre du piège. L’équation d’état d’un nuage polarisé (atomes dans l’état mF = +1) est utilisée pourmesurer la température du système. Enfin, nous mesurons la réponse mécanique a une force magnétique appliquée pour un système binaire mF = 0, +1. Nous mesures une exaltation de la réponse par rapport a l’attente na basée sur l’effet Zeeman habituel, d’un facteur qui peut varier de plusieurs dizaines a environ cent. La configuration spatiale des domaines est ainsi sensible a de très faibles gradients de champ magnétique inférieurs au mG/cm.


  • Résumé

    In this thesis we present the experimental study of a spin-1 Bose gas of ultra-cold Na atoms with antiferromagnetic interactions in the F=1 manifold. Thanks to evaporative cooling in optical traps we obtain, depending on the trap geometry, quasi-pure spinor Bose-Einstein condensates (BEC) in 0D traps and quasi-condensates in quasi-1D traps. The quantum-statistical Bose enhancement, typical of BEC, allows inter-component interactions (between the different Zeeman components) to order the system just below the Bose-Einstein condensation temperature. The magnetic ordering of the system is set: by contact interactions, that do not change the Zeeman populations, by spin-exchange interactions (U_s spin-exchange energy), that do, and by the quadratic Zeeman energy q. In particular, for q < U_s the system is in the antiferromagnetic phase while, for q > U_s, is in the transverse magnetised phase. We study first in which order the magnetic ordering appears, in the 0D trap, near to the critical temperature for BEC. We experimentally study different condensations scenarii varying q and magnetisation. The condensation of the different components is sequential and strongly influenced by interactions. We find a good agreement between the experimental data and a simplified Hartree-Fock model.Then we study the magnetic ordering, at T=0, in a quasi-1D trap. The system presents the formation of spin domains. We study the ground state of the system varying magnetisation and q. We observe a transition from the miscible to the immiscible phase, associated with the transition from the antiferromagnetic to the transverse magnetised phase. This is due to the relative strengths of inter-species contact interaction. To measure the temperature of the system, we measure the equation of state for a polarised cloud (all atoms in m_F=+1). Finally, we prepare the system in the immiscible phase m_F=0,+1 and we measure the spin-dipole polarisability of the system.


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