Quantum simulation of spin models with large arrays of Rydberg atoms Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale prometteuse pour la simulation quantique de modèles de spins. Lors de cette thèse, nous avons d’abord perfectionné la plateforme en augmentant le nombre d’atomes manipulables d’une quarantaine à environ deux cents, et en améliorant d’un facteur dix la cohérence quantique du système. Nous avons ensuite revisité le modèle d’Ising en excitant de manière cohérente plus d’une centaine d’atomes depuis leur état électronique fondamental vers un niveau de Rydberg. Les simulations numériques de l’évolution de notre système sont difficiles à réaliser compte tenu du nombre de particules, ce qui signifie que l’exploration numérique du modèle d’Ising est limitée. Nous avons utilisé ce fait à notre avantage pour explorer avec notre simulateur quantique des phénomènes comme les transitions de phase quantiques, ou la recherche des états fondamentaux du système. Cela rapproche la plateforme de son but originel : il s‘agit d’un nouveau moyen d’étudier des systèmes complexes pour lesquels les simulations numériques sont limitées. Nous avons ensuite utilisé un autre régime d’interaction entre atomes de Rydberg pour implémenter de nouveaux modèles de spins permettant d’étudier une grande variété de phénomènes physiques. Nous nous sommes d’abord penchés sur la réalisation d’une interaction à valeur complexe en utilisant le couplage spin-orbite intrinsèque à l’interaction dipôle-dipôle. Cette interaction simule le mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique et permet d’étudier les propriétés topologiques de la matière comme l’effet Hall quantique. Nous avons ensuite implémenté le modèle d’Heisenberg avec une anisotropie programmable, en combinant l’interaction dipolaire résonante avec un champ micro-ondes externe. Ce modèle, très présent dans la description des matériaux magnétiques, permet aussi d’étudier des phénomènes comme la supraconductivité, la superfluidité ou la supersolidité.
Quantum simulation of spin models with large arrays of Rydberg atoms Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale prometteuse pour la simulation quantique de modèles de spins. Lors de cette thèse, nous avons d’abord perfectionné la plateforme en augmentant le nombre d’atomes manipulables d’une quarantaine à environ deux cents, et en améliorant d’un facteur dix la cohérence quantique du système. Nous avons ensuite revisité le modèle d’Ising en excitant de manière cohérente plus d’une centaine d’atomes depuis leur état électronique fondamental vers un niveau de Rydberg. Les simulations numériques de l’évolution de notre système sont difficiles à réaliser compte tenu du nombre de particules, ce qui signifie que l’exploration numérique du modèle d’Ising est limitée. Nous avons utilisé ce fait à notre avantage pour explorer avec notre simulateur quantique des phénomènes comme les transitions de phase quantiques, ou la recherche des états fondamentaux du système. Cela rapproche la plateforme de son but originel : il s‘agit d’un nouveau moyen d’étudier des systèmes complexes pour lesquels les simulations numériques sont limitées. Nous avons ensuite utilisé un autre régime d’interaction entre atomes de Rydberg pour implémenter de nouveaux modèles de spins permettant d’étudier une grande variété de phénomènes physiques. Nous nous sommes d’abord penchés sur la réalisation d’une interaction à valeur complexe en utilisant le couplage spin-orbite intrinsèque à l’interaction dipôle-dipôle. Cette interaction simule le mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique et permet d’étudier les propriétés topologiques de la matière comme l’effet Hall quantique. Nous avons ensuite implémenté le modèle d’Heisenberg avec une anisotropie programmable, en combinant l’interaction dipolaire résonante avec un champ micro-ondes externe. Ce modèle, très présent dans la description des matériaux magnétiques, permet aussi d’étudier des phénomènes comme la supraconductivité, la superfluidité ou la supersolidité.
Simulation quantique de modèles de spins dans des matrices d’atomes de Rydberg Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale prometteuse pour la simulation quantique de modèles de spins. Lors de cette thèse, nous avons d’abord résolu le problème du chargement aléatoire des pièges, seulement 50 % d’entre eux étant chargés avec un atome. Nous avons développé une technique pour préparer des matrices 2D, puis 3D, d’atomes de 87Rb en les déplaçant un par un avec une pince optique mobile contrôlée par ordinateur. Nous avons ensuite réalisé le modèle d’Ising en excitant de manière cohérente les atomes depuis leur état électronique fondamental vers un niveau de Rydberg. Après avoir trouvé un régime optimal où l’interaction dipolaire entre deux atomes de Rydberg se réduit à une énergie de van der Waals, nous avons tenté de préparer adiabatiquement l’état de Néel qui minimise l’énergie d’interaction. Nous avons montré que l’efficacité de préparation étaitlimitée par la décohérence induite par les lasers d’excitation. Nous avons ensuite utilisé un autre régime d’interaction, le couplage dipolaire résonant, pour étudier des modèles de spins de type XY, dont le modèle Su-Schrieffer-Heeger, connu pour sa phase fermionique topologique protégée par une symétrie chirale. Ici, nous avons remplacé les fermions par des particules effectives de type `boson de cœur dur’, ce qui modifie les propriétés de cette phase. Nous avons d’abord retrouvé les propriétés à une particule, comme l’existence d’états de bords à énergie nulle. Nous avons ensuite préparé l’état fondamental à N corps pour un remplissage moitié, et observé sa dégénérescence causée par les états de bords, même en présence d’une perturbation qui lèverait cette dégénérescence dans le cas fermionique. Nous avons expliqué ce résultat par l’existence d’une symétrie plus générale, qui protège la phase bosonique.
Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale prometteuse pour la simulation quantique de modèles de spins. Lors de cette thèse, nous avons d’abord résolu le problème du chargement aléatoire des pièges, seulement 50 % d’entre eux étant chargés avec un atome. Nous avons développé une technique pour préparer des matrices 2D, puis 3D, d’atomes de 87Rb en les déplaçant un par un avec une pince optique mobile contrôlée par ordinateur. Nous avons ensuite réalisé le modèle d’Ising en excitant de manière cohérente les atomes depuis leur état électronique fondamental vers un niveau de Rydberg. Après avoir trouvé un régime optimal où l’interaction dipolaire entre deux atomes de Rydberg se réduit à une énergie de van der Waals, nous avons tenté de préparer adiabatiquement l’état de Néel qui minimise l’énergie d’interaction. Nous avons montré que l’efficacité de préparation étaitlimitée par la décohérence induite par les lasers d’excitation. Nous avons ensuite utilisé un autre régime d’interaction, le couplage dipolaire résonant, pour étudier des modèles de spins de type XY, dont le modèle Su-Schrieffer-Heeger, connu pour sa phase fermionique topologique protégée par une symétrie chirale. Ici, nous avons remplacé les fermions par des particules effectives de type `boson de cœur dur’, ce qui modifie les propriétés de cette phase. Nous avons d’abord retrouvé les propriétés à une particule, comme l’existence d’états de bords à énergie nulle. Nous avons ensuite préparé l’état fondamental à N corps pour un remplissage moitié, et observé sa dégénérescence causée par les états de bords, même en présence d’une perturbation qui lèverait cette dégénérescence dans le cas fermionique. Nous avons expliqué ce résultat par l’existence d’une symétrie plus générale, qui protège la phase bosonique.
Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale performante pour la simulation quantique de problèmes à N corps, comme le confirment les récents progrès dans le domaine. Lors de cette thèse, nous avons d’abord montré la production de matrices de pinces optiques, toutes chargées par des atomes uniques dans leur état fondamental. Notre technique de piégeage a été étendue au cas des atomes de Rydberg. Ces derniers sont chassés des zones de haute intensité par la force pondéromotrice. Par conséquent, nous avons créé par holographie des zones sombres entourés de lumière, pour les confiner. Nous avons aussi étudié les corrélations entre spins dans le cas des Hamiltoniens d’Ising ou XY, en utilisant le régime d’interaction de van der Waals ou dipolaire résonnant. Lors de notre étude du modèle d’Ising, nous avons observé l’apparition de corrélations antiferromagnétiques au cours d’une variation temporelle de l’Hamiltonien, mettant en évidence une vitesse effective pour la propagation des corrélations, ainsi qu’un mécanisme caractéristique de croissance site-à-site. Pour le modèle XY, nous avons montré la préparation d’un nombre contrôlé d’excitations de spin, ainsi que la production de chaînes ferromagnétiques, ou d’un ensemble de chaînes ferromagnétiques anti-alignées deux à deux. Enfin, nous avons utilisé d’autres termes d’échange, présents dans l’interaction dipolaire, pour créer des amplitudes de saut complexe pour une particule effective. Cette utilisation a conduit à l’apparition d’un champ de jauge artificiel, dont l’effet a été mesuré sur un système minimal composé de trois atomes, et ouvre la voie à l’observation d’états de bords chiraux, caractéristiques des isolants topologiques.
Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale performante pour la simulation quantique de problèmes à N corps, comme le confirment les récents progrès dans le domaine. Lors de cette thèse, nous avons d’abord montré la production de matrices de pinces optiques, toutes chargées par des atomes uniques dans leur état fondamental. Notre technique de piégeage a été étendue au cas des atomes de Rydberg. Ces derniers sont chassés des zones de haute intensité par la force pondéromotrice. Par conséquent, nous avons créé par holographie des zones sombres entourés de lumière, pour les confiner. Nous avons aussi étudié les corrélations entre spins dans le cas des Hamiltoniens d’Ising ou XY, en utilisant le régime d’interaction de van der Waals ou dipolaire résonnant. Lors de notre étude du modèle d’Ising, nous avons observé l’apparition de corrélations antiferromagnétiques au cours d’une variation temporelle de l’Hamiltonien, mettant en évidence une vitesse effective pour la propagation des corrélations, ainsi qu’un mécanisme caractéristique de croissance site-à-site. Pour le modèle XY, nous avons montré la préparation d’un nombre contrôlé d’excitations de spin, ainsi que la production de chaînes ferromagnétiques, ou d’un ensemble de chaînes ferromagnétiques anti-alignées deux à deux. Enfin, nous avons utilisé d’autres termes d’échange, présents dans l’interaction dipolaire, pour créer des amplitudes de saut complexe pour une particule effective. Cette utilisation a conduit à l’apparition d’un champ de jauge artificiel, dont l’effet a été mesuré sur un système minimal composé de trois atomes, et ouvre la voie à l’observation d’états de bords chiraux, caractéristiques des isolants topologiques.
Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale performante pour la simulation quantique de problèmes à N corps, comme le confirment les récents progrès dans le domaine. Lors de cette thèse, nous avons d’abord montré la production de matrices de pinces optiques, toutes chargées par des atomes uniques dans leur état fondamental. Notre technique de piégeage a été étendue au cas des atomes de Rydberg. Ces derniers sont chassés des zones de haute intensité par la force pondéromotrice. Par conséquent, nous avons créé par holographie des zones sombres entourés de lumière, pour les confiner. Nous avons aussi étudié les corrélations entre spins dans le cas des Hamiltoniens d’Ising ou XY, en utilisant le régime d’interaction de van der Waals ou dipolaire résonnant. Lors de notre étude du modèle d’Ising, nous avons observé l’apparition de corrélations antiferromagnétiques au cours d’une variation temporelle de l’Hamiltonien, mettant en évidence une vitesse effective pour la propagation des corrélations, ainsi qu’un mécanisme caractéristique de croissance site-à-site. Pour le modèle XY, nous avons montré la préparation d’un nombre contrôlé d’excitations de spin, ainsi que la production de chaînes ferromagnétiques, ou d’un ensemble de chaînes ferromagnétiques anti-alignées deux à deux. Enfin, nous avons utilisé d’autres termes d’échange, présents dans l’interaction dipolaire, pour créer des amplitudes de saut complexe pour une particule effective. Cette utilisation a conduit à l’apparition d’un champ de jauge artificiel, dont l’effet a été mesuré sur un système minimal composé de trois atomes, et ouvre la voie à l’observation d’états de bords chiraux, caractéristiques des isolants topologiques.
Préparation et caractérisation d'états de spin corrélés avec un simulateur quantique à atomes de Rydberg Cette thèse porte sur le développement d'outils et de protocoles expérimentaux pour l'étude de systèmes de spin fortement corrélés, depuis leur préparation jusqu'à leur caractérisation.Le dispositif expérimental est basé sur le piégeage d'atomes de rubidium individuels dans des pinces optiques, selon des structures uni- ou bi-dimensionnelles ordonnées. Une fois excités dans des états de Rydberg, les atomes interagissent deux à deux, ce qui peut être décrit de manière effective par un modèle de spin --- donnant lieu à des simulations quantiques de ces modèles. L'objectif général est de mieux comprendre les mécanismes à l'œuvre dans les états fortement corrélés de la matière, qui sont notoirement difficiles à simuler numériquement lorsque le nombre de spins devient grand.La mise en œuvre des modèles de spin nécessite un contrôle précis des degrés de liberté tant internes qu'externes des atomes. Durant ma thèse, j'ai amélioré le montage préexistant, en appliquant une technique de refroidissement Raman pour réduire les fluctuations de position thermiques des atomes dans les pinces optiques. Nous avons également conçu une méthode de transitions locales entre états de Rydberg, permettant la préparation de textures de spin arbitraires et la lecture simultanée de plusieurs spins dans des bases différentes. Ces techniques nous ont permis de mettre en évidence des phénomènes quantiques collectifs dans des systèmes magnétiques avec interactions dipolaires de longue portée. Nous avons étudié plusieurs régimes, depuis les propriétés d'équilibre à basse énergie, jusqu'à la dynamique d'états de haute énergie.Tout d'abord, la préparation adiabatique des états fondamentaux du modèle de spin dit XY a permis d'observer la formation d'un ordre ferromagnétique ou antiferromagnétique entre spins, mesuré au moyen de leurs corrélations, sur un réseau carré et sur une chaîne unidimensionnelle. Quelle que soit la dimension du système étudié, le caractère dipolaire des interactions s'est traduit par une déstabilisation de la phase antiferromagnétique, et un renforcement de l'ordre ferromagnétique. En une dimension, nous avons observé des oscillations de Friedel à proximité d'un défaut localisé et mesuré des profils de corrélations en loi de puissance, signature d'une phase critique de la matière. Nous avons ensuite mis au point une nouvelle technique de mesure de la relation de dispersion des excitations de basse énergie. Cette méthode, appelée quench spectroscopy, consiste à mesurer la propagation des corrélations entre tous les spins à partir d'un état hors-équilibre de basse énergie, et à appliquer une double transformée de Fourier (spatiale et temporelle) pour obtenir l'énergie des excitations élémentaires en fonction de leur vecteur d'onde. Appliquant cette méthode aux cas précédents, nous avons vérifié la linéarité de la relation de dispersion à faible vecteur d'onde, caractéristique des ondes de spin du modèle XY ; à l'exception notable du cas ferromagnétique en deux dimensions, où l'énergie évolue comme la racine carrée du vecteur d'onde du fait des interactions dipolaires.Enfin, nous avons exploité les interactions de van der Waals non-diagonales pour mettre en œuvre un modèle de spin et de trous appelé modèle t-J-V, décrivant le mouvement de trous dans un réseau de spins. La réalisation de ce modèle avec des états de Rydberg permet d'accéder à des régimes de paramètres jusqu'à présent inaccessibles avec une résolution à l'échelle de la particule individuelle; en particulier, les interactions dipolaires équivalent à un effet tunnel de longue portée, autorisant le saut d'une particule entre deux sites distants. En étudiant la dynamique d'un aimant dopé par des trous localisés, nous avons trouvé des signatures de cet effet tunnel effectif de longue portée, et mis en évidence l'influence des états de spin sur le transport des trous.