Décohérence et réponse optique de gaz de Bose de basse dimension

Decoherence and optical response of low-dimensional Bose gases

• Auteur / Autrice : Rémy Vatré
• Direction : Fabrice Gerbier, Jérôme Beugnon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/05/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Gwendal Fève
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinna Kollath
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Clément, Christof Weitenberg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ytterbium

Décohérence quantique

Réseaux de diffraction

Bosons

Atomes froids

Bose-Einstein, Gaz de

Mots clés libres

Atomes froids

Bosons

Réseaux optiques

Cold atoms

Bosons

Optical lattices

Résumé

Dans ce manuscrit, je présente des études expérimentales sur l'interaction entre des gaz quantiques ultrafroids de bosons et de la lumière résonante. L'ytterbium, avec ses deux électrons de valence, est un atome de choix pour de telles simulations quantiques car il possède à la fois une raie large et une raie d'intercombinaison étroite, couramment utilisées pour le refroidissement laser. Dans une première série d'expériences, j'étudie la décohérence du gaz induite par une quantité contrôlée de diffusion de lumière. Un gaz quantique d'ytterbium est chargé dans des réseaux optiques et la transition d'intercombinaison est excitée par de la lumière résonante. Les nombreux cycles d'absorption et d'émissions spontanées conduisent à de la diffusion en impulsion et donc à de la décohérence, ce que j'étudie à travers la distribution en impulsion du gaz. Aux temps longs de l'évolution du système, j'observe un régime de décohérence algébrique résultant de l'accumulation de corrélations. Le régime exponentiel de décohérence aux temps courts nous renseigne sur l'état initial du système. Dans une deuxième série d'expériences, un gaz quantique d'ytterbium est chargé dans un seul plan d'un réseau optique de grand pas, ce qui réalise en pratique un système bidimensionnel. Ce gaz bidimensionnel est sondé in situ à l'aide d'un système d'imagerie à haute résolution permettant une caractérisation précise de ses propriétés thermodynamiques. Je caractérise la réponse optique d'un tel système en mesurant la transmission et le déphasage qu'il imprime à de la lumière proche de résonance avec la transition large.

In this manuscript, I present experimental studies on the interaction between ultracold quantum gases of bosons and resonant light. Ytterbium, with its two valence electrons, is an atom of choice for such quantum simulations because it has both a broad line and a narrow intercombination line, commonly used for laser cooling. In a first series of experiments, I study the decoherence of the gas induced by a controlled amount of light scattering. An ytterbium quantum gas is loaded into optical lattices and optically driven by resonant light addressing the intercombination transition. The many cycles of absorption and spontaneous emissions lead to momentum diffusion and thus decoherence, which I study through the momentum distribution of the gas. In the later stages of the dynamics, I observe a regime of algebraic decay of coherence resulting from the build-up of correlations. The early exponential regime of decoherence gives us information about the initial state of the system. In a second series of experiments, an ytterbium quantum gas is loaded in a single plane of a large-period optical lattice, which realizes an effective two-dimensional system. This two-dimensional gas is probed in-situ using a high-resolution imaging system allowing a precise characterization of its thermodynamic properties. I characterize the optical response of such as system by measuring the transmission and the phase shift it imparts to light near resonance with the broad transition.