Imagerie en atomes individuels de matière quantique fortement corrélée : du gaz de Fermi unitaire aux états de Hall quantiques

par Joris Verstraten

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Tarik Yefsah.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Physique en Ile de France , en partenariat avec Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....) (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-09-2020 .


  • Résumé

    Cette thèse a pour problématique principale la meilleure compréhension de systèmes quantiques fortement corrélés à basse température. En particulier, les fermions fortement corrélés sont présents dans de nombreux systèmes : depuis le plasma de quark et de gluons des débuts de l'Univers jusqu'aux étoiles à neutrons, ils sont aussi au coeur de nombreux matériaux modernes tels que les supraconducteurs à haute température, les dispositifs à magnétorésistance colossale ou encore le graphène. Bien que constituant un problème apparaissant dans un large champ d'applications fondamentales et technologiques, la compréhension de fermions fortement corrélés représente un important défi de la physique moderne, et leur étude est souvent entravée par la complexité des systèmes mis en jeu. La contribution des expériences de gaz ultrafroids à cette quête de longue haleine repose dans la capacité à arranger les fermions dans un environnement bien contrôlé, où l'on peut ajouter une caractéristique supplémentaire à la fois (mélange d'états de spin différents, interactions, réseau optique, etc...), menant à une évolution progressive de la complexité du système, ce qui constitue un terrain de jeu idéal pour la comparaison directe aux théories à N corps. L'un des objectifs principaux de cette thèse est d'utiliser l'imagerie en atomes individuels de manière avantageuse pour sonder les fonctions de corrélation en densité (également résolues en spin) dans le cas du régime d'interactions fortes (ou régime unitaire). Ces corrélations sont généralement difficiles à obtenir pour des systèmes continus. Jusqu'ici, seules les corrélations de second ordre 〈n↑(0)n↓(r)〉 ont été mesurées, et ceci uniquement à courte distance r << 1/a, où 1/a est la distance inter-particules. A l'aide d'un microscope à gaz quantique comme celui qui devrait être installé sur notre expérience, nous serons en mesure d'accéder directement aux fonctions de corrélations jusqu'à l'ordre ~30 et pour des distances allant jusqu'à plusieurs dizaines de fois la distance inter-particules. Ces mesures devraient permettre, par exemple, de mettre en évidence l'apparition de corrélations fortes lors de la transition de la phase normale vers la phase superfluide, ou encore de révéler l'existence de de phases de matière exotiques prédites dans les gaz de Fermi avec un déséquilibre de spin. Le second sujet de cette thèse est l'exploration des propriétés topologiques de certaines phases, à savoir les états de Hall quantiques (EHQ). Cette thèse contribuera à développer une nouvelle manière de réaliser des EHQ et d'analyser directement leur répartition spatiale avec une résolution d'atomes individuels. Nous commencerons par créer un état de Hall quantique entier pour des fermions sans interactions, puis nous étudierons le célèbre état associé à la fonction d'onde de Laughlin, suspecté d'abriter des excitations anyoniques.

  • Titre traduit

    Single-atom imaging of correlated quantum matter: From the Unitary gas to quantum Hall states


  • Résumé

    The general context of this PhD work is the understanding of low temperature strongly-correlated quantum matter. Strongly-correlated fermions are ubiquitous in nature, from the quark-gluon plasma of the early universe to neutron stars found in the outer space, they lie as well at the heart of many modern materials such as high-temperature superconductors, colossal magneto-resistance devices or graphene. While being a pressing issue covering a wide fundamental and technological scope, the understanding of strongly-correlated fermions constitutes a serious challenge of modern physics, which is often hindered by the complexity of the host systems themselves. The contribution of ultracold gas experiments in this outstanding quest resides in the ability to set fermions in a well-characterized environment, where one can add a single ingredient at a time (spin mixture, interactions, lattice, etc) with a high degree of control, allowing for an incremental complexity, which represents an ideal playground for a direct comparison to many-body theories. One of the primary goals of this PhD work is to take advantage of single atom detection to probe the correlation functions in the strong interaction regime (or unitary regime). These correlations are generally difficult to obtain in continuous systems. So far, only the second order correlation 〈n↑(0)n↓(r)〉 was measured, and so only at short distance r ≪ 1/a, where 1/a- is the inter-particle spacing. With a quantum gas microscope as is currently planned in our experiment, we will obtain a direct access to the correlation functions up to order 30 and for a range of distance up to several tens of 1/a. This type of measurements can, for instance, highlight the emergence of correlations during the transition from the normal phase to the superfluide transition or to reveal exotic matter states predicted in Fermi gases with imbalanced spin populations. The second topic of this PhD project is the exploration of topological matter, namely, quantum Hall states. This PhD work will contribute to develop a new scheme to realize QH states and aim at probing directly their spatial distribution with single atom resolution. We will aim first at creating an Integer Quantum Hall (IQH) state for non-interacting fermions and, in a second stage, explore the emblematic fractional Laughlin state predicted to host anyonic excitations.