Réalisation de gaz quantiques de grand spin

High spin quantum gases

• Auteur / Autrice : Pierre Bataille
• Direction : Bruno Laburthe-Tolra, Martin Robert de Saint Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• 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 : Saïda Guellati-Khelifa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Robert de Saint Vincent, Etienne Maréchal, Olivier Gorceix, Athanasios Laliotis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Radu Chicireanu, Denis Boiron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation quantique

Gaz d'électrons

Atomes froids

Spectroscopie

Mots clés libres

Magnétisme quantique

Gaz de Fermi

Strontium

Quantum magnetism

Fermi gases

Strontium

Résumé

Nous proposons d’étudier la propagation de corrélations quantiques dans des assemblées d’atomes de grand spin chargés dans des réseaux optiques. Notre démarche s’inscrit dans le développement de nouvelles méthodes et concepts pour appréhender les dynamiques d’intrication et de corrélations dans des systèmes impliquant de grands nombres de particules, en lien avec le développement des technologies quantiques. Le projet de thèse concerne plus particulièrement l’atome de strontium 87Sr, pour lequel les interactions sont à courte portée et indépendantes de l’état de spin – on parle alors de magnétisme avec symétrie SU(N), où N est le nombre d’états de spin peuplés. Notre approche sera de préparer un état pur et séparable de très basse entropie, en manipulant de manière cohérente le spin des atomes dans un réseau optique ; puis d’étudier son évolution dynamique sous l’effet des interactions entre atomes. On s’intéressera alors à l’approche de ces systèmes quantiques isolés vers leur état d’équilibre. On explorera ainsi la question de l’apparition d’un ordre magnétique. Ces études sont pertinentes du point de vue de l’étude des propriétés magnétiques de systèmes fortement corrélés, en lien avec des questions ouvertes fondamentales dans la physique de la matière condensée (frustration quantique, super-conductivité à haute température)

This thesis details the building blocks of our quantum simulator of the SU(N) Heisenberg hamiltonian. It uses a degenerate gas of strontium 87, a fermionic isotope of strontium, loaded in a spin-dependent optical lattice.The first section covers the experimental stages leading to that, and, in particular, the narrow-line MOT and the evaporative cooling in a crossed dipole trap, resulting in a strontium 87 Fermi sea with T/TF ~ 0.2. We also describe how, once the degenerate gas is loaded into layered, independent, square 2D optical traps, a 689 nm optical lattice creates a quasi-alternate artificial magnetic field with its spin-dependent light shift.The rest of the manuscript presents several experimental methods that were developed around that quantum simulator. First, we detail our shelving spectroscopy scheme for the intercombination line, with a relative frequency instability of 2 × 10^-12 after 1 s (and a fundamental limit of 2×10^-14). Then, we describe how we populate, at will, between N = 1 and N = 10 spin states, and how we measure the spin-resolved momentum distribution thanks to a spin-selective, two-photons momentum transfer. This latter method solves the limitations inherent to strontium 87, whose weak Landé factor in the ground state prevents using more widespread methods such as the Stern-Gerlach separation. It is a requirement to study the ground states of the Heisenberg hamiltonian. Finally, we present a sub-resolution imaging technique, which enables us to extract information on the size of atomic clouds below the resolution limit of the system