Gaz de dysprosium ultrafroid dans des pièges dipolaires optiques : contrôle des interactions entre atomes fortement magnétiques Dans le cadre de cette thèse, j’ai étudié le refroidissement et le piégeage d’un gaz d’atomes de dysprosium dans des potentiels lumineux. Cet atome lanthanide possède dans son état électronique fondamental un moment magnétique très élevé, permettant l’exploration du domaine des gaz dipolaires ultrafroids. Ce caractère dipolaire enrichit la gamme des phénomènes physiques réalisés expérimentalement, en tirant avantage de la nature anisotrope et à longue-portée de l’interaction entre dipôles magnétiques. De plus, grâce à sa structure électronique riche, le Dysprosium offre la possibilité de créer un fort couplage entre le spin atomique et des champs lumineux, tout en gardant un taux de chauffage faible par rapport au cas usuel des atomes alcalins. Ceci ouvre la voie vers l’implémentation de champs de jauge artificiels, qui suscitent un vif intérêt dans le domaine des atomes froids dans un contexte de simulation quantique. Ce travail de thèse consiste en l’étude des mécanismes d’interactions dans un gaz de Dysprosium ultrafroid, allant des collisions assistées par la lumière à la relaxation dipolaire en passant par le refroidissement par évaporation. J’expose également la réalisation expérimentale d’un champ magnétique effectif en utilisant un déplacement lumineux dépendant du spin, permettant de contrôler optiquement la force des interactions atomiques au moyen d’une résonance de Feshbach.
Gaz de dysprosium ultrafroid dans des pièges dipolaires optiques : contrôle des interactions entre atomes fortement magnétiques Dans le cadre de cette thèse, j’ai étudié le refroidissement et le piégeage d’un gaz d’atomes de dysprosium dans des potentiels lumineux. Cet atome lanthanide possède dans son état électronique fondamental un moment magnétique très élevé, permettant l’exploration du domaine des gaz dipolaires ultrafroids. Ce caractère dipolaire enrichit la gamme des phénomènes physiques réalisés expérimentalement, en tirant avantage de la nature anisotrope et à longue-portée de l’interaction entre dipôles magnétiques. De plus, grâce à sa structure électronique riche, le Dysprosium offre la possibilité de créer un fort couplage entre le spin atomique et des champs lumineux, tout en gardant un taux de chauffage faible par rapport au cas usuel des atomes alcalins. Ceci ouvre la voie vers l’implémentation de champs de jauge artificiels, qui suscitent un vif intérêt dans le domaine des atomes froids dans un contexte de simulation quantique. Ce travail de thèse consiste en l’étude des mécanismes d’interactions dans un gaz de Dysprosium ultrafroid, allant des collisions assistées par la lumière à la relaxation dipolaire en passant par le refroidissement par évaporation. J’expose également la réalisation expérimentale d’un champ magnétique effectif en utilisant un déplacement lumineux dépendant du spin, permettant de contrôler optiquement la force des interactions atomiques au moyen d’une résonance de Feshbach.
Conception et construction d’une expérience de dysprosium ultrafroid : un nouveau cadre pour l’interaction lumière-spin Dans ce travail de thèse, je présente la construction d’une nouvelle expérience pour la production de gaz ultra froids de dysprosium. En tirant parti de la structure électronique à couche incomplète de ces atomes, nous visons à la réalisation de champs de jauge synthétiques, qui pourront conduire à l’observation de nouvelles phases (topologiques) de la matière. Le couplage du spin atomique avec le champ lumineux, plus efficace que pour des atomes alcalins, permettra d’atteindre des régimes d’interactions fortes qui restent, jusqu’à présent, hors de portée expérimentale. J’adapte des protocoles existants pour la réalisation de champs de jauge dans le cas de Dysprosium, en tenant compte de son grand spin électronique (J = 8 dans l’état fondamental). En outre, le dysprosium a le plus grand moment magnétique parmi les éléments stables, et il est donc le meilleur candidat pour l’étude des gaz dipolaires. Je détaille le dispositif expérimental que nous avons construit et comment nous effectuons le piégeage et le refroidissement du dysprosium. Nous étudions en détail le comportement du piège magnéto-optique, qui est réalisé sur la transition d’intercombinaison ¹S₀ ↔ ³P₁. La raie étroite et le grand spin rendent l’opération du piège très complexe. Néanmoins, je montre que sa compréhension devient assez simple dans le régime où le nuage se polarise spontanément en conséquence de la combinaison des forces optiques et gravitationnelles. Enfin, je décris les dernières étapes du transport optique et de l’évaporation, ce qui conduira à la production d’un gaz dégénéré.
Dans ce travail de thèse, je présente la construction d’une nouvelle expérience pour la production de gaz ultra froids de dysprosium. En tirant parti de la structure électronique à couche incomplète de ces atomes, nous visons à la réalisation de champs de jauge synthétiques, qui pourront conduire à l’observation de nouvelles phases (topologiques) de la matière. Le couplage du spin atomique avec le champ lumineux, plus efficace que pour des atomes alcalins, permettra d’atteindre des régimes d’interactions fortes qui restent, jusqu’à présent, hors de portée expérimentale. J’adapte des protocoles existants pour la réalisation de champs de jauge dans le cas de Dysprosium, en tenant compte de son grand spin électronique (J = 8 dans l’état fondamental). En outre, le dysprosium a le plus grand moment magnétique parmi les éléments stables, et il est donc le meilleur candidat pour l’étude des gaz dipolaires. Je détaille le dispositif expérimental que nous avons construit et comment nous effectuons le piégeage et le refroidissement du dysprosium. Nous étudions en détail le comportement du piège magnéto-optique, qui est réalisé sur la transition d’intercombinaison ¹S₀ ↔ ³P₁. La raie étroite et le grand spin rendent l’opération du piège très complexe. Néanmoins, je montre que sa compréhension devient assez simple dans le régime où le nuage se polarise spontanément en conséquence de la combinaison des forces optiques et gravitationnelles. Enfin, je décris les dernières étapes du transport optique et de l’évaporation, ce qui conduira à la production d’un gaz dégénéré.
Non-gaussian spin states of ultracold dysprosium atoms Ce manuscrit de thèse est consacré à des expériences réalisées à partir de gaz d’atomes de dysprosium ultrafroids. Cet élément possède des propriétés particulières comme un grand moment angulaire J=8 ou bien un déplacement lumineux tensoriel significatif à proximité de résonance. Le dispositif expérimental est présenté dans son ensemble, du piégeage magnéto-optique au refroidissement par évaporation. La modulation spatiale permettant de contrôler la forme d’un piège optique est détaillée, ainsi que le rôle du déplacement lumineux tensoriel dans l’étape de refroidissement Doppler dans un piège optique. La seconde partie est dédiée à l’utilisation du déplacement lumineux tensoriel dans la préparation d’états comprimés et ‘surcomprimés’ ainsi que des états chats de Schrödinger. La sensibilité magnétique de ces états est mesurée à l'aide de séquences de Ramsey et permet de calculer le gain métrologique. La fonction de Husimi est reconstruite expérimentalement à partir de mesures de population dans différentes directions, ce qui permet aussi de déterminer la pureté des différents états préparés. Les états comprimés ont une sensibilité accrue, mais les états surcomprimés montrent une forte diminution du contraste des oscillations de Ramsey. L’utilisation de la distance de Hellinger permet de quantifier la différence entre deux états proches et ainsi donner une nouvelle définition du gain métrologique. La limite de Cramér-Rao est alors atteinte et la sensibilité des états surcomprimés est supérieure à celle des états comprimés. Enfin un système de 16 spins 1/2 indistinguables en interaction est réalisé. Dans une troisième partie nous présentons la mesure de l’intrication de paire pour les états d’un spin J à l’aide de probabilités d’absorption de photons, qui n’a pas été réalisée expérimentalement. En conclusion sont présentés deux projets où des degrés de libertés externes sont ajoutés à la dynamique des degrés de liberté internes. Dans le premier cas il s’agit d’un système analogue à l’Hamiltonien de Landau pour une particule chargée dans un champ magnétique, avec une dimension d’espace et une dimension synthétique. Dans le second cas, deux dimensions d’espace sont utilisées et la présence d’un déplacement lumineux dépendant de la position réalise un champ magnétique artificiel.
Manipulation du spin d'atomes ultrafroids de dysprosium pour encoder des états quantiques critiques, intriqués, et topologiques de la matière Cette thèse porte sur trois études utilisant des gaz ultrafroids d'atomes de dysprosium bosoniques. Nous encodons des états quantiques d'intérêt dans le grand spin électronique J=8 de l'état fondamental de chaque atome. Des transitions optiques étroites sont utilisées pour manipuler ces états en créant de forts décalages lumineux tensoriels dépendant du spin avec un chauffage négligeable. Notre schéma de détection utilise des rotations de spin arbitraires suivies d'une mesure des probabilités de projection de chaque état interne. Premièrement, nous étudions un modèle d'Ising de spins 1/2 quantiques soumis à un champ transverse et interagissant à portée infinie. Ce modèle présente une transition de phase quantique du type paramagnétique-ferromagnétique dans la limite thermodynamique. Notre expérience repose sur l'équivalence formelle entre les états d'un spin J=8 et les états symétriques par échange de 2J=16 qubits dans le secteur de spin maximal. Nous sondons les propriétés thermodynamiques et dynamiques, révélant un comportement critique quantique de taille finie autour de la transition. Ensuite, nous testons directement le lien fondamental entre la brisure de symétrie et l'apparition d'un paramètre d'ordre fini. Ceci est rendu possible par l'accès à l'observable collectif qui définit la symétrie Z2 sous-jacente. Deuxièmement, nous partitionnons le spin électronique pour révéler l'intrication dans les états non-classiques. En couplant optiquement le niveau de base à un état excité J'=J-1, nous extrayons une paire de qubits encodés dans un état défini par la polarisation de la lumière. Nous sondons la concomitance (concurrence) des paires de qubits extraites des états W et des états comprimés pour quantifier leur caractère non-classique. Nous démontrons directement l'intrication entre les sous-systèmes à 14 et 2 qubits par une augmentation de l'entropie lors de la partition. Dans un ensemble complémentaire d'expériences, nous sondons la décohérence d'un état préparé dans le niveau excité J'=J+1 et interprétons l'émission spontanée comme la perte d'une paire de qubits dans un état aléatoire. Cela nous permet de contraster la robustesse des corrélations non classiques par paire de l'état W avec la fragilité de la cohérence d'un état chat de Schrödinger. Troisièmement, nous simulons un système de Hall quantique en exploitant le spin de l'état fondamental électronique comme une dimension synthétique discrète, et en le couplant optiquement au mouvement atomique le long d'une deuxième dimension réelle. Cela crée un champ magnétique artificiel, les deux dimensions couplées formant un ruban de Hall avec des bords nets le long de l'axe synthétique. Nous démontrons que le grand nombre de sous-niveaux magnétiques conduit à des comportements distincts dans le coeur et sur les bords du système, et à une réponse de Hall caractéristique d'une topologie non-triviale. Nous effectuons une étude préliminaire du spectre d'intrication associé à une partition au centre de la dimension synthétique, et nous expliquons comment de futures études pourraient directement implémenter le hamiltonien d'intrication correspondant. Nous concluons avec une feuille de route pour étendre les techniques présentées dans cette thèse afin de réaliser des états topologiques à N corps.
Cette thèse porte sur trois études utilisant des gaz ultrafroids d'atomes de dysprosium bosoniques. Nous encodons des états quantiques d'intérêt dans le grand spin électronique J=8 de l'état fondamental de chaque atome. Des transitions optiques étroites sont utilisées pour manipuler ces états en créant de forts décalages lumineux tensoriels dépendant du spin avec un chauffage négligeable. Notre schéma de détection utilise des rotations de spin arbitraires suivies d'une mesure des probabilités de projection de chaque état interne. Premièrement, nous étudions un modèle d'Ising de spins 1/2 quantiques soumis à un champ transverse et interagissant à portée infinie. Ce modèle présente une transition de phase quantique du type paramagnétique-ferromagnétique dans la limite thermodynamique. Notre expérience repose sur l'équivalence formelle entre les états d'un spin J=8 et les états symétriques par échange de 2J=16 qubits dans le secteur de spin maximal. Nous sondons les propriétés thermodynamiques et dynamiques, révélant un comportement critique quantique de taille finie autour de la transition. Ensuite, nous testons directement le lien fondamental entre la brisure de symétrie et l'apparition d'un paramètre d'ordre fini. Ceci est rendu possible par l'accès à l'observable collectif qui définit la symétrie Z2 sous-jacente. Deuxièmement, nous partitionnons le spin électronique pour révéler l'intrication dans les états non-classiques. En couplant optiquement le niveau de base à un état excité J'=J-1, nous extrayons une paire de qubits encodés dans un état défini par la polarisation de la lumière. Nous sondons la concomitance (concurrence) des paires de qubits extraites des états W et des états comprimés pour quantifier leur caractère non-classique. Nous démontrons directement l'intrication entre les sous-systèmes à 14 et 2 qubits par une augmentation de l'entropie lors de la partition. Dans un ensemble complémentaire d'expériences, nous sondons la décohérence d'un état préparé dans le niveau excité J'=J+1 et interprétons l'émission spontanée comme la perte d'une paire de qubits dans un état aléatoire. Cela nous permet de contraster la robustesse des corrélations non classiques par paire de l'état W avec la fragilité de la cohérence d'un état chat de Schrödinger. Troisièmement, nous simulons un système de Hall quantique en exploitant le spin de l'état fondamental électronique comme une dimension synthétique discrète, et en le couplant optiquement au mouvement atomique le long d'une deuxième dimension réelle. Cela crée un champ magnétique artificiel, les deux dimensions couplées formant un ruban de Hall avec des bords nets le long de l'axe synthétique. Nous démontrons que le grand nombre de sous-niveaux magnétiques conduit à des comportements distincts dans le coeur et sur les bords du système, et à une réponse de Hall caractéristique d'une topologie non-triviale. Nous effectuons une étude préliminaire du spectre d'intrication associé à une partition au centre de la dimension synthétique, et nous expliquons comment de futures études pourraient directement implémenter le hamiltonien d'intrication correspondant. Nous concluons avec une feuille de route pour étendre les techniques présentées dans cette thèse afin de réaliser des états topologiques à N corps.
Sensibilité accrue par effet quantique et niveaux de Landau synthétiques avec des atomes de dysprosium ultrafroids Cette thèse porte sur des études expérimentales basées sur les interactions entre photons et atomes ultrafroids de dysprosium. La structure électronique du dysprosium est à l'origine de ses propriétés atomiques singulières, donnant accès à une phénoménologie physique diversifiée. Dans la première partie, nous donnons une description globale de notre expérience, et du protocole expérimental qui permet la production de gaz dégénérés de dysprosium bosonique. Une étape importante de notre séquence expérimentale porte sur l'utilisation de la raie d'intercombinaison à 626 nm pour le refroidissement Doppler d'atomes piégés. Nous montrons que la forte anisotropie de la polarisabilité de l'état excité est bénéfique pour le refroidissement évaporatif qui suit. Dans la deuxième partie, nous présentons des expériences qui utilisent le couplage entre les photons et le spin, inhérent à cette transition, pour manipuler les états internes des atomes et réaliser des états non-classiques de spin. Nous nous concentrons sur la réalisation d'états N00N, correspondant à la superposition d'états classiques ayant des aimantations opposées. Nous démontrons expérimentalement que la sensibilité aux champs magnétiques de ces états est proche de la limite de Heisenberg. La dernière partie est dédiée à l'effet Hall quantique, que nous étudions en encodant une dimension synthétique dans les états internes des atomes. Nous réalisons un système analogue aux niveaux de Landau à l'aide d'un couplage spin-orbite. Nous observons les propriétés du niveau de Landau fondamental : une dispersion supprimée, des états de bords chiraux, ainsi qu'une réponse de Hall caractéristique d'une topologie non-triviale.