La dynamique et correlations d'excitations Rydberg dans des matrices 2D des atomes unique

Rydberg excitation dynamics and correlations in arbitrary 2D arrays of single atoms

• Auteur / Autrice : Henning Labuhn
• Direction : Antoine Browaeys
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/02/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique quantique
• Jury : Président / Présidente : Pierre Pillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthias Weidemüller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gerhard Birkl, Matthew Jones

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pinces optiques

Atomes froids

Holographie

Rydberg, États de

Intrication quantique

Mots clés libres

Création des états quantiques

Piégeage d’atomes uniques,

Atomes Rydberg

SLM

Quantum state engineering

Single atom trapping

Rydberg atoms

Spatial light modulator

Résumé

Dans cette thèse, nous mesurons la dynamique cohérente et les corrélations spatiales des excitations Rydberg dans des matrices 2D d’atomes uniques.Nous utilisons un modulateur spatial de lumière pour façonner la phase spatiale d'un faisceau laser de piégeage optique avant de le focaliser avec une lentille asphérique de grande ouverture numérique. En imprimant une phase appropriée sur le faisceau laser, nous pouvons créer des matrices 2D de pièges optiques, de forme arbitraire et facilement reconfigurables, avec jusqu'à 100 pièges séparées de quelques micromètres. Les pièges sont chargés à partir d'un nuage d'atomes froids de 87Rb, et due aux collisions assistées par la lumière, au plus un seul atome peut être présent dans chaque piège en même temps. Une caméra CCD sensible permet en temps réel l'imagerie de la fluorescence atomique émanant des pièges, ce qui nous permet de détecter individuellement la présence d'un atome dans chaque piège avec une précision presque parfaite.Pour créer des interactions importantes entre les atomes uniques, nous les excitons vers des états de Rydberg, qui sont des états électroniques avec un nombre quantique principal élevé.Un faisceau supplémentaire d'adressage permet la manipulation individuelle d'un atome sélectionné dans la matrice.La connaissance précise, de la fois de la matrice des atomes préparé et des positions des excitations Rydberg, nous a permis de mesurer l’augmentation collective de la couplage optique dans le régime de blocage Rydberg, où une seule excitation est partagée de façon symétrique entre tous les atomes de la matrice.Dans le régime où l'interaction ne s’étend que sur quelques sites, nous avons mesuré la dynamique et les corrélations spatiales des excitations Rydberg, dans des matrices d’atomes à une et deux dimensions. La comparaison à une simulation numérique d'un modèle d'Ising quantique d'un système de spin-1/2 montre un accord exceptionnel pour les matrices où l'effet de l'anisotropie de l’interaction Rydberg-Rydberg est faible. Les résultats obtenus démontrent que les atomes Rydberg uniques sont une plate-forme bien adaptée pour la simulation quantique des systèmes de spin.

In this thesis, we measure the coherent dynamics and the pair correlations of Rydberg excitations in two-dimensional arrays of single atoms.We use a spatial light modulator to shape the spatial phase of a single optical dipole trap beam before focusing it with a high numerical-aperture aspheric lens. By imprinting an appropriate phase pattern on the trap beam, we can create arbitrarily shaped and easily reconfigurable 2D arrays of high-quality single-atom traps, with trap-spacings of a few micrometers for up to 100 traps. The traps are loaded from a cloud of cold 87Rb atoms, and due to fast light-assisted collisions of atoms inside the traps, at most one atom can be present in each trap at the same time. A sensitive CCD camera allows the real-time, site-resolved imaging of the atomic fluorescence from the traps, enabling us to detect the presence of an atom in each individual trap with almost perfect accuracy.In order to induce strong, tunable interactions between the atoms in the array, we coherently laser-excite them to Rydberg states, which are electronic states with a high principal quantum number.An additional addressing beam allows the individual manipulation of an atom at a selected site in the array.The precise knowledge of both the prepared atom array and the positions of the Rydberg excitations allowed us to measure the collective enhancement of the optical coupling strength in the regime of full Rydberg blockade, where one single excitation is shared symmetrically among all atoms in the array.In the regime where the strong interaction only extends over a few sites, we measured the dynamics and the spatial pair-correlations of Rydberg excitations, in one- and two-dimensional atom arrays. The comparison to a numerical simulation of a quantum Ising model of a spin-1/2 system shows an exceptional agreement for trap geometries where the effect of the anisotropy of the Rydberg-Rydberg interaction is small. The obtained results demonstrate that single Rydberg atoms are a suitable platform for the quantum simulation of spin systems.