Spontaneous spin squeezing in a spinor Bose-Einstein condensate trapped on an atom chip
Théo Laudat
Abstract
Dans ce manuscrit, nous presentons une etude experimentale du phenomene de compression de spin dans un condensat de Bose-Einstein de $^{87}Rb$, resultant d'une interaction non-lineaire provenant de collisions entre les deux etats internes $|F=1, m_F=-1>$ et $|F=2, m_F=1>$ de l'etat fondamental $5^2S_{1/2}$. Les atomes sont refroidis dans un piege magneto-optique, puis pieges magnetiquement a l'aide de notre puce a atomes jouant le role de parois superieure pour notre enceinte a vide. La puce est aussi utilisee pour emettre le champ radiofrequence permettant le refroidissement evaporatif conduisant a la condensation de Bose-Einstein, ainsi que le champ micro-onde qui realise le transfert coherent des atomes d'un etat interne a un autre.L'ensemble atomique est decrit par le Hamiltonien textit{one-axis-twisting} qui contient un terme quadratique en la composante selon l'axe $z$ du vecteur de spin atomique $S_z$. L'amplitude de cette interaction non-lineaire, initialement tres faible, depend des longueurs de diffusion des etats internes consideres, et peut etre grandement augmentee en reduisant le recouvrement des fonctions d'onde. C'est pourquoi le systeme est place dans une configuration particuliere (grand nombre d'atomes et piege anisotrope de type cigare) pour laquelle les deux etats vont alterner des phases de separation et recombinaison spatiale. L'impact de cette dynamique spatiale sur l'interaction de champ moyen et la coherence du systeme est analyse experimentalement a travers l'etude du contraste et de la frequence centrale d'un interferometre de Ramsey.Theoriquement, lorsque les deux etats sont separes, la distribution de spin se transforme d'une distribution circulaire regie par le bruit de projection quantique, en une ellipse dont le petit axe est inferieur a la limite quantique standard, sous l'effet de l'interaction en $S_z^2$. Ceci est verifie experimentalement en realisant la tomographie de l'etat atomique au moment ou les deux modes internes se recombinent. Un parametre de compression de spin $xi^2 = -1.3 pm 0.4$ dB est ainsi obtenu pour 5000 atomes et un contraste de 90%. L'etude des differentes sources d'instabilites a permis d'identifier les pertes atomiques comme limitation principale de la compression de spin et du contraste de l'interferometre.Ce travail s'inscrit dans le contexte de la metrologie quantique et represente un pas vers la production d'etats comprimes en spin permettant la realisation d'interferometres atomiques fonctionnant sous la limite quantique standard. La question de la coherence d'un condensat bimodal soumis a de nombreuses collisions elastiques et inelastiques est aussi adressee.