Cette thèse présente une expérience de nouvelle génération dédiée à l'étude de gaz quantique 6Li, dotée de vastes capacités et visant à étudier les propriétés microscopiques d'un gas de Fermi à fortes interactions au voisinage et sous le seuil de la transition suerfluide. Sur ce dispositif, nous sommes parvenus à refroidir les atomes 6Li jusqu'à un état fortement dégénéré grâce à une séquence de refroidissment d'une durée de 13 s. Avec un réseau optique correctement caractérisé et d'un microscope à haute résolution, le montage a été préparé pour enregistrer des images de fluorescence à l'échelle de l'atome individuel. Cette expérience sera un puissant outil pour l'étude des corrélations dans les systèmes de Fermi en fortes interactions. En combinaison avec des potentiels optiques correctement ajustés, nous pouvons étendre nos measures à des gas homogénes et à la recherche de phases superfluides avec différentes populations de spins.
Cette thèse présente une expérience de nouvelle génération dédiée à l'étude de gaz quantique 6Li, dotée de vastes capacités et visant à étudier les propriétés microscopiques d'un gas de Fermi à fortes interactions au voisinage et sous le seuil de la transition suerfluide. Sur ce dispositif, nous sommes parvenus à refroidir les atomes 6Li jusqu'à un état fortement dégénéré grâce à une séquence de refroidissment d'une durée de 13 s. Avec un réseau optique correctement caractérisé et d'un microscope à haute résolution, le montage a été préparé pour enregistrer des images de fluorescence à l'échelle de l'atome individuel. Cette expérience sera un puissant outil pour l'étude des corrélations dans les systèmes de Fermi en fortes interactions. En combinaison avec des potentiels optiques correctement ajustés, nous pouvons étendre nos measures à des gas homogénes et à la recherche de phases superfluides avec différentes populations de spins.
Vers une imagerie à atome unique du gaz de Fermi unitaire Cette thèse présente une expérience de nouvelle génération dédiée à l'étude de gaz quantique 6Li, dotée de vastes capacités et visant à étudier les propriétés microscopiques d'un gas de Fermi à fortes interactions au voisinage et sous le seuil de la transition suerfluide. Sur ce dispositif, nous sommes parvenus à refroidir les atomes 6Li jusqu'à un état fortement dégénéré grâce à une séquence de refroidissment d'une durée de 13 s. Avec un réseau optique correctement caractérisé et d'un microscope à haute résolution, le montage a été préparé pour enregistrer des images de fluorescence à l'échelle de l'atome individuel. Cette expérience sera un puissant outil pour l'étude des corrélations dans les systèmes de Fermi en fortes interactions. En combinaison avec des potentiels optiques correctement ajustés, nous pouvons étendre nos measures à des gas homogénes et à la recherche de phases superfluides avec différentes populations de spins.
Une expérience de nouvelle génération pour l'étude de gaz de Fermi en interaction forte Cette thèse expose la construction d’une expérience de gaz quantiques de nouvelle génération, ayant pour objectif d’étudier les gaz de Fermi de ⁶Li en interaction forte. Une description détaillée du design et de la mise en œuvre, ainsi que la caractérisation du montage sont présentées. Nous avons réalisé un grand piège magnéto-optique de ⁶Li, suivi par une mélasse grise, afin de refroidir efficacement les atomes à des températures sub-Doppler, ce qui constitue un excellent point de départ pour le chargement dans un piège dipolaire optique. Un transport optique avec une haute efficacité conjointement à un refroidissement évaporatif à l’unitarité permet la production d’un gaz de Fermi ultrafroid de ⁶Li à la fin d'une séquence d’une durée totale de 16s. Combinée avec l’utilisation de l’imagerie à atome unique et de potentiels sur-mesure, cette nouvelle machine ouvre la voie à des expériences nouvelles sur les gaz de Fermi ultrafroids, comme par exemple la mesure des fonctions de corrélation dépendant du spin ou la recherche des phases exotiques de superfluides à déséquilibre de spin.
Cette thèse expose la construction d’une expérience de gaz quantiques de nouvelle génération, ayant pour objectif d’étudier les gaz de Fermi de ⁶Li en interaction forte. Une description détaillée du design et de la mise en œuvre, ainsi que la caractérisation du montage sont présentées. Nous avons réalisé un grand piège magnéto-optique de ⁶Li, suivi par une mélasse grise, afin de refroidir efficacement les atomes à des températures sub-Doppler, ce qui constitue un excellent point de départ pour le chargement dans un piège dipolaire optique. Un transport optique avec une haute efficacité conjointement à un refroidissement évaporatif à l’unitarité permet la production d’un gaz de Fermi ultrafroid de ⁶Li à la fin d'une séquence d’une durée totale de 16s. Combinée avec l’utilisation de l’imagerie à atome unique et de potentiels sur-mesure, cette nouvelle machine ouvre la voie à des expériences nouvelles sur les gaz de Fermi ultrafroids, comme par exemple la mesure des fonctions de corrélation dépendant du spin ou la recherche des phases exotiques de superfluides à déséquilibre de spin.
Microscopie de gaz quantique pour des fermions en espace continu Depuis leur émergence, les expériences d’atomes froids ont eu recours à des techniques d’imagerie globales, telles que l’imagerie par absorption, pour mesurer les densités des nuages atomiques. Cependant, ces dernières années, de nombreuses méthodes d’imagerie d’atomes individuels ont émergé comme des outils puissants utilisés pour sonder et manipuler les systèmes quantiques à N corps. Le présent travail se concentre en particulier sur la microscopie de gaz quantique utilisant le refroidissement Raman par bandes latérales dans un réseau optique. Cette technique, qui a été largement utilisée dans plusieurs groupes d’atomes froids, a principalement été appliquée à des systèmes évoluant en espace discret, comme ceux représentés à travers les modèles de Bose- et Fermi-Hubbard et leur généralisation. Dans cette thèse, nous montrons comment la microscopie de gaz quantique peut être étendue au-delà de son application initiale pour sonder de manière quantitative des systèmes à N corps dans l’espace continu. Nous proposons un protocole consistant en une montée rapide de l’intensité du réseau de confinement, ce qui projette les atomes du continu vers les sites discrets du réseau, suivie d’une étape de refroidissement Raman par bandes latérales qui confine les atomes autour de l’état vibrationnel fondamental et les empêche de s’échapper pendant l’imagerie. Pour tester l’efficacité de cette nouvelle méthode, nous caractérisons le processus de confinement et d’imagerie en utilisant la microscopie de gaz quantique pour reconstruire la fonction d’onde d’un paquet d’ondes gaussien associé à une particule individuelle durant son expansion libre. Dans des conditions optimales, nous atteignons une fidélité d’imagerie supérieure à 95%, définie comme la probabilité de projeter un atome du continu sur le site de réseau le plus proche et de l’imager correctement. Nous appliquons également cette technique à un gaz de Fermi quasi-bidimensionnel sans interactions, ce qui nous permet d’extraire des fonctions de corrélation à deux et trois corps, g2 et g3, avec une résolution spatiale sans précédent et de trouver un excellent accord avec la valeur théorique. En particulier, nos mesures révèlent une réduction de 90% de la probabilité de trouver deux atomes à courte distance pour les échantillons les plus froids, ce qui constitue l’une des observations in situ les plus précises du principe d’exclusion de Pauli dans un système continu. Enfin, nous proposons une méthode de thermométrie fondée sur les fluctuations du nombre d’atomes, qui sont facilement obtenues à partir de notre procédure d’imagerie. De manière cruciale, cette technique de thermométrie devrait pouvoir être généralisée à des systèmes fortement interactifs, où l’estimation de la température est généralement difficile. La technique de microscopie de gaz quantique développée ici ouvre de nouvelles voies pour étudier des systèmes à N corps dans l’espace continu avec une résolution sans précédent, offrant un outil puissant pour de futures expériences.
Vers la réalisation expérimentale d'un gas de fermions à une dimension en interactions fortes Cette thèse décrit les récents résultats de l’expérience FerMix, expérience dédiée à l’étude des systèmes fermioniques quantiques à N corps à ultra basse température. Pour cela, des ensembles d’atomes de ⁴⁰K sont utilisés. Nous présentons ici deux principaux résultats. En premier lieu, nous décrivons le dispositif expérimental ainsi que les étapes menant à la préparation d’un gaz fermionique fortement dégénéré composé de 1.5×10⁴ atomes de ⁴⁰K à une température de T/TF = 0.14, soit juste en-dessous de la température critique de superfluidité. En second lieu, nous rapportons nos progrès pour explorer le croisement dimensonnel entre les liquides de Tomonaga- Luttinger à 1D et ceux de Landau-Fermi à 3D. Pour ce faire, nous confinons notre gaz de Fermi ultrafroid au sein d’un réseau optique 2D à grand pas. Après la description du dispositif utilisé et la caractérisation du potentiel périodique, nous discutons de la stratégie mise en oeuvre pour transférer les atomes dans le réseau 1D puis au sein de l’onde stationnaire 2D. Le chargement du réseau 1D représente l’accomplissement final présenté dans ce manuscrit : la réalisation d’un gaz de Fermi dégénéré à deux dimensions, composé de 250 atomes par état de spin et à une témperature de T/TF = 0.34.
Cette thèse est consacrée à l'étude théorique des états quantiques fortement corrélés de ultra-froids piégés atomes fermioniques dans les réseaux optiques. Ce champ a considérablement augmenté Ces dernières années, suite aux progrès expérimentaux réalisés dans le refroidissement et le contrôle des gaz atomiques, qui a conduit à l'observation de la première condensation de Bose-Einstein (en 1995 [4]). Le le piégeage de ces gaz dans les réseaux optiques a ouvert un nouveau champ de recherche à l'interface entre la physique atomique et physique de la matière condensée. L'observation de la transition à partir d'un superfluide à un isolant de Mott d'atomes bosoniques [46] a ouvert la voie pour l'étude de fortement corrélée phases et transitions de phase quantique dans ces systèmes. Très récemment, le enquête sur l'état isolant de Mott d'atomes fermioniques [63] fournit une motivation supplémentaire de procéder à ces études théoriques. Cette thèse peut être divisée en deux grandes catégories de travail: • D'une part, nous avons proposé un nouveau type de spectroscopie pour mesurer une particule observables corrélateurs et physiques associés à ces états fortement corrélés. • D'autre part, nous avons étudié l'état fondamental du modèle Hubbard fermionique dans des conditions différentes (déséquilibre de masse déséquilibre de population), à l'aide d'analyse techniques et des simulations numériques. En collaboration avec J. Dalibard et C. Salomon (LKB à l'ENS Paris) et I. Carusotto (Trento, Italie), nous avons proposé et étudié une nouvelle méthode de spectroscopie de la mesure et la caractérisation des excitations particule unique (en particulier, la faible excitations de l'énergie, à savoir la quasi-particules) dans les systèmes d'atomes froids fermioniques, avec l'énergie résolution en impulsion et. Ce type de spectroscopie est un analogue de la cinétique résolue photoémission en physique des solides (ARPES). Nous avons montré, via des modèles simples, que ce méthode de mesure permet de caractériser les quasiparticules non seulement dans les "classiques" phases tels que le gaz interagissent faiblement dans le réseau ou dans des liquides de Fermi, mais aussi dans les phases inhabituelles tels que l'état normal de la supraconductivité à haute température avec un pseudogap (leader à une différenciation entre les nœuds et anti-nœuds) ont observé en physique mater condensé. Le première expérience d'application d'un type de spectroscopie (spectroscopie RF) très étroitement liés à notre proposition a été récemment réalisée à Boulder dans le groupe DS Jin, tout comme cette thèse était en cours de rédaction. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons effectué des études théoriques de plusieurs phases de fermions fortement corrélés dans les réseaux optiques dans le cadre de modèles théoriques tels que le modèle de Hubbard. Nous avons mis en place et développé des méthodes d'analyse (Hartree-Fock théorie du champ moyen à faible couplage, la cartographie sur un modèle de spin effectif à couplage fort) et des méthodes numériques (approche de la dynamique signifie la théorie des champs). Ce travail a conduit à deux certains types d'études. Le premier étudie la concurrence entre une phase superfluide et une onde de densité (ou la séparation de phase) pour des fermions à un déséquilibre de masse et attrayant interaction. Nous avons montré que la phase superfluide est instable au-delà d'une certaine valeur du rapport de masse, qui dépend de l'interaction. La seconde étude traite d'un gaz à déséquilibrée des populations (polarisée gaz) avec une interaction attractive en trois dimensions réseau optique. Le résultat principal est un diagramme de phase montrant la stabilité d'un superfluide uniforme phase avec la polarisation (phase Sarma ou violé deux phases) dans un certain paramètre régime. Via un argument énergétique, nous avons conclu que la stabilité du superfluide polarisé phase est due à la réduction de la polarisabilité et le champ critique de la non-polarisée phase superfluide. Dans le régime de couplage fort du modèle de Hubbard, au sein de l'indice CAOD méthode, nous avons montré que la formation de la paire préformé à l'état normal réduit la polarisabilité et favorise la stabilité de la phase deux violée. Bien que certains aspects ont été abordés dans cette thèse, beaucoup de questions intéressantes restent ouvertes pour les travaux futurs. Dans la première partie, le cadre de la spectroscopie roman méthode établie dans le chapitre 2 peut permettre de différentes études concrètes de la nature de vivement les États de corrélation. Par exemple, il devrait être très intéressante pour comprendre les spectres d'excitation à une particule dans les phases non triviales comme l'isolant de Mott, la préformées ou des paires de phases avec ordre à longue portée. Dans la deuxième partie, la construction de la améliorée (BCS-Slater) la théorie du champ moyen, y compris la correction Hartree permet une meilleure Comparaison des méthodes modernes (CAOD et Slave bosons). Pour le système avec la même population pour les deux espèces, la région proche du modèle Falicov-Kimball n'est pas encore bien compris dans notre analyse CAOD en raison de problèmes de la convergence numérique au sein de la méthode exacte-diagonalisation. Toutefois, au sein de l'analyse de la théorie du champ moyen, nous voyons qu'un nouvelle phase uniforme de la vague de densité de charge (CDW-dopé) peut être stabilisé Merci à la haute asymétrie des sauts. Afin de clarifier cette question, une étude réalisée par l'esclave Boson de champ moyen la théorie pourrait être très utile. Cette méthode a deux avantages: d'abord, il contient la forte Physique corrélation (y compris les fluctuations quantiques), d'autre part, dans certains cas simples que nous pouvons extraire le comportement analytique de la solution. En outre, un traitement complet au sein de MFT pour les deux paramètres d'ordre, le superfluide et de la CEP, devrait être utile pour comprendre la nature de la transition de phase dans cette limite. Une autre perspective de cette thèse est l' compréhension de la nature de la phase superfluide polarisé. L'inadéquation de l'Fermi surfaces considérées dans cette thèse est dû au déséquilibre de la population. Nous pouvons toujours contrôler ce décalage en introduisant en outre un déséquilibre de masse. Dans la région, avec la grand-messe déséquilibre, il est probable que la stabilité de la phase superfluide polarisé uniforme peut être encore renforcée. Dans cette thèse, les effets du potentiel de confinement ont été inclus par le biais du local approximation de la densité. Pour un faible potentiel et lisse, ce rapprochement devrait être précis. Toutefois, pour renforcer l'accouchement, il peut devenir plus discutable. En effet, Cette question a récemment été débattu dans la littérature, dans le cadre de l'interprétation d'expériences avec la population déséquilibre [92, 126]. Dynamiques de champ moyen théorie peut être mis en œuvre dans un cadre homogène, au-delà de LDA [53, 95, 102], ce qui pourrait être utilisés pour évaluer la validité de l'approximation LDA pour des problèmes tels que ceux étudiés dans cette thèse. Cela pourrait être pertinent, en particulier pour le débat actuel sur les phases de la systèmes fermioniques à un déséquilibre de la population.