Probing ultracold ytterbium in optical lattices with resonant light : from coherent control to dissipative dynamics

par Raphaël Bouganne

Thèse de doctorat en Physique quantique

Sous la direction de Fabrice Gerbier.

Soutenue le 24-09-2018

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Laboratoire Kastler Brossel (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Catherine Schwob.

Le jury était composé de Tilman Esslinger.

Les rapporteurs étaient Leonardo Fallani, Laurent Sanchez-Palencia.

  • Titre traduit

    Interaction résonante entre un champ laser et un gaz d'atomes d'ytterbium ultrafroids sur réseau optique : du contrôle cohérent au régime dissipatif


  • Résumé

    Dans ce manuscrit je décris une série d'études expérimentales portant sur la dynamique d'un nuage d'atomes d'ytterbium bosonique dégénérés chargés dans un réseau optique et soumis à de la lumière résonante. L'interaction atome-lumière permet d'étudier les propriétés de cohérence quantique du gaz. Dans un premier temps, je démontre la manipulation cohérente de l'état interne des atomes sur la transition d'horloge, dont l'état excité est métastable et ne peux pas émettre de photons spontanément, protégeant ainsi la cohérence du gaz. La dynamique temporelle de l'état interne d'atomes chargés dans un réseau optique profond permet de mesurer les propriétés collisionelles à basse température pour les états horloges de l'ytterbium. Dans un second temps, j'utilise l'émission spontanée associée à la transition d'intercombinaison, ce qui permet un couplage aux degrés de liberté externes des atomes. Je présente l'étude de la diffusion en impulsion d'un superfluide excité sur cette transition. Les fortes interactions entre atomes conduisent à l'observation d'une décohérence ralentie aux temps longs et caractérisée par un régime sous-diffusif. Un modèle simple de type Bose-Hubbard incluant la dissipation permet de rendre compte de ces observations. Une étude théorique des effets à N-corps dans l'interaction atome-lumière vient en compléter l'analyse.


  • Résumé

    In this manuscript I present an experimental investigation of the dynamics of an ultracold gas of bosonic ytterbium loaded into optical lattices and exposed to resonant light. The interaction between atoms and light makes it possible to study the coherence properties of the gas. The resonant driving is performed on the relevant optical transitions featured by ytterbium. On the one hand, I demonstrate the coherent driving of the internal state of the atoms on the clock transition, the excited state of which is metastable and can not spontaneously decay, thus preserving the coherence of the gas. The temporal internal dynamics in a deep lattice allows me to measure the collisional properties at low temperature for both clock states. On the other hand, I use the spontaneously emitted photons of the intercombination transition excited level to induce a coupling to the atomic external degrees of freedom. I present the momentum diffusion of a superfluid excited on this transition. Strong interactions between atoms slow down the decoherence and lead to an anomalous sub-diffusive relaxation. A simple model comprising atomic motion, interactions and dissipation accounts for our observations. A theoretical study of the dissipative dynamics in optical lattices sheds light on complementary phenomena such as induced dipole-dipole interactions or collective effects in spontaneous emission.


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