Dynamique hors équilibre de spins couplés par interaction dipolaire en condensat de Bose-Einstein et en réseau optique

Out-of-equilibrium dynamics of spins coupled by dipolar interaction in Bose-Einstein condensate and optical lattice

• Auteur / Autrice : Lucas Gabardos
• Direction : Bruno Laburthe-Tolra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/10/2020
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Pérola Milman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Du Burck, Laurent Vernac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Clément, Franck Pereira Dos Santos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moments dipolaires

Magnétisme

Condensation de Bose-Einstein

Chrome

Spin

Mots clés libres

Condensat de Bose-Einstein

Réseau optique

Interactions dipolaires

Magnétisme quantique

Mélasses grises

Bose-Einstein condensate

Optical Lattice

Dipolar interactions

Quantum magnetism

Gray Molasses

Résumé

Le manuscrit porte principalement sur l’étude de dynamiques de spin avec des gaz quantiques de chrome bosonique, atomes qui ont la propriété d’avoir un large moment magnétique permettant l’observation d’interactions dipôle-dipôle. Les expériences présentées sont effectuées en plaçant le système dans un état hors équilibre par rotation des spins d’un angle θ par rapport à leur direction initiale, anti-alignée avec le champ magnétique externe. Les populations des 2s+1=7 états Zeeman évoluent alors au cours du temps, et sont mesurées à l’aide d’un Stern-Gerlach. La norme du spin total des atomes est également mesurée, par interférométrie Ramsey, ce qui apporte des informations supplémentaires sur l’évolution du système. Les expériences en condensat montrent un bon accord avec des simulations de type champ-moyen et permettent de mettre en évidence un phénomène de conservation du ferromagnétisme attribué aux interactions de contact dépendantes du spin. L’influence des paramètres expérimentaux sur la dynamique est également étudiée, notamment le gradient de champ magnétique et l’angle initial θ. Les expériences en réseau profond (régime de Mott) où les atomes sont fixés sur les sites du réseau permettent de mettre en évidence des effets au-delà du champ-moyen dus aux interactions dipôle-dipôle, d’autant plus importants que θ s’approche de π/2. De plus, le système, bien qu’isolé, tend vers un état d’apparence thermique, phénomène que nous attribuons à un processus de thermalisation quantique. La mesure de la norme du spin total pour ces expériences montre un comportement très différent du cas en condensat, celle-ci diminuant rapidement vers une valeur proche de zéro. Le manuscrit traite également d'une nouvelle méthode de refroidissement et compression des atomes en piège optique à l'aide de mélasses grises.

The manuscript focuses mainly on the study of spin dynamics in bosonic chromium quantum gases, Chromium atoms possessing a large magnetic moment allowing for the observation of dipolar interaction. The experiments presented are realized by putting the system in an out-of-equilibrium state by rotating the spins by an angle θ with respect to their initial orientation, anti-aligned with the external magnetic field. The populations in the 2s+1=7 Zeeman states then evolve with time and are measured through a Stern-Gerlach procedure. The norm of the total spin of the atoms is also measured, by Ramsey interferometry, which brings further information about the evolution of the system. The BEC experiments are in good agreement with mean-field simulations and show that the ferromagnetic character of the condensate is conserved which is attributed to spin dependent contact interactions. The effects of experimental parameters on the dynamics is studied, in particular the magnetic field gradient and the initial angle θ. The experiments made in deep lattices (Mott regime) where atoms are fixed at their lattice site display out of mean-field effects due to dipole-dipole interactions, all the more important than θ is close to π/2. Furthermore, the system, despite the fact that it is isolated, reaches a thermal seeming state, phenomenon which is attributed to a process of quantum thermalization. Measurement of the norm of the total spin for these experiments shows a very different behavior than in the BEC case, since it decreases rapidly toward a near-zero value. The manuscript also presents a new method for cooling and compressing the atoms in a dipolar trap using gray molasses.