Manipulation des spins nucléaires du strontium 87 dans des gaz de Fermi dégénérés en symétrie SU(N)

Manipulation of the nuclear spin states of 87Sr in degenerate SU(N)-symmetric Fermi gases

• Auteur / Autrice : Andréa Litvinov
• Direction : Bruno Laburthe-Tolra, Olivier Gorceix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/01/2023
• 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 : Francesca Ferlaino
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Chevy, Romain Dubessy, Martin Robert de Saint Vincent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Bouchoule, Jérôme Beugnon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Strontium

Réseaux de diffraction

Gaz d'électrons

Mots clés libres

Spins nucléaires

Passage adiabatique Raman

Couplage spin-Orbit

Nuclear spins

Raman adiabatic passage

Spin orbit coupling

Résumé

Cette thèse présente notre implémentation d'un simulateur quantique (SQ) pour le modèle de Fermi-Hubbard avec des atomes de strontium 87. Le 87Sr de grand spin nucléaire I=9/2 bénéficie d'une raie d'intercombinaison étroite de 7.4 kHz jouant un rôle central dans cette thèse. Elle offre un cadre idéal pour manipuler les 10 états de spin nucléaires par couplage spin-orbite (CSO) avec une émission spontanée minimale.D'abord, nous démontrons une méthode pour mesurer des densités locales non résolues par notre système d'imagerie. Nous surpassons les limites dues aux abbérations et variations rapides du profile de densité, par une correction non-linéaire établie à partir de la loi de Beer-Lambert. Nous déduisons des tailles jusqu'à 1/4 pixel. Ensuite, nous préparons des mers de Fermi de 87Sr polarisées à T/TF=0.25 en utilisant une purification de spin par pompage optique. Les populations de spin sont mesurées par des transferts d'impulsion sélectifs en spin grâce au CSO. Nous démontrons de plus une méthode pour retourner les spins de manière cohérente et sélective. La dégénéréscence de l'état fondamental est levée par un déplacement lumineux quadratique. Par passage Raman adiabatique, les spins sont retournés avec une efficacité de 80% qui sera améliorée à 95%. Conçu comme un réseau optique, cette méthode pemettra l'écriture deterministe d'une texture de spin qui sera l'état initial du SQ. Enfin, nous étudions le chargement d'un gaz de Fermi dans la bande fondamentale d'un réseau 1D de grande période 2µm. Nous montrons l'importance de maintenir un taux de collision suffisant pour suivre le cross-over de géométrie de 3D à 2D, et nous produisons simultanément 4 mers de Fermi 2D

This thesis reviews our implementation of a quantum simulator (QS) for the Fermi-Hubbard model with strontium 87. Closed-shell 87Sr with large nuclear spin I=9/2 benefits from a 7.4 kHz narrow intercombination line that played a central role in this thesis. It offers ideal conditions for the realization of spin orbit coupling (SOC) schemes to coherently manipulate the 10 nuclear spin states with minimal spontaneous emission.First, we demonstrated a method to measure local densities smaller than the resolution limit of our imaging system. We overcome the limits due to aberrations and fast variations of the density profiles. Derived from the Beer-Lambert law, the non-linear correction lets us infer sizes as small as 1/4 pixel. Then, we prepare polarized Fermi seas of 87Sr at T/TF=0.25, with a spin purification by optical pumping. The spin populations are measured with a SOC scheme associated with the narrow line, realizing a spin dependent momentum transfer. We then demonstrate a method to coherently and selectively flip the spin states. The degeneracy of the ground state is lifted with a quadratic light shift. With a Raman adiabatic passage, the spins are flipped with 80% efficiency that will be improved up to 95%. Designed as an optical super lattice, this scheme will permit to write deterministic spin textures that will be the initial state for the QS. Finally, we study the loading of Fermi gases into the ground band of a 1D lattice with large sites spacing 2µm. Our experiment highlights the critical importance of maintening a sufficient collision rate to adiabatically follow the 3D to 2D dimensionnality cross-over, and we simultaneously produce four 2D Fermi seas