Nous proposons d’étudier la propagation de corrélations quantiques dans des assemblées d’atomes de grand spin chargés dans des réseaux optiques. Notre démarche s’inscrit dans le développement de nouvelles méthodes et concepts pour appréhender les dynamiques d’intrication et de corrélations dans des systèmes impliquant de grands nombres de particules, en lien avec le développement des technologies quantiques. Le projet de thèse concerne plus particulièrement l’atome de strontium 87Sr, pour lequel les interactions sont à courte portée et indépendantes de l’état de spin – on parle alors de magnétisme avec symétrie SU(N), où N est le nombre d’états de spin peuplés. Notre approche sera de préparer un état pur et séparable de très basse entropie, en manipulant de manière cohérente le spin des atomes dans un réseau optique ; puis d’étudier son évolution dynamique sous l’effet des interactions entre atomes. On s’intéressera alors à l’approche de ces systèmes quantiques isolés vers leur état d’équilibre. On explorera ainsi la question de l’apparition d’un ordre magnétique. Ces études sont pertinentes du point de vue de l’étude des propriétés magnétiques de systèmes fortement corrélés, en lien avec des questions ouvertes fondamentales dans la physique de la matière condensée (frustration quantique, super-conductivité à haute température)
Nous proposons d’étudier la propagation de corrélations quantiques dans des assemblées d’atomes de grand spin chargés dans des réseaux optiques. Notre démarche s’inscrit dans le développement de nouvelles méthodes et concepts pour appréhender les dynamiques d’intrication et de corrélations dans des systèmes impliquant de grands nombres de particules, en lien avec le développement des technologies quantiques. Le projet de thèse concerne plus particulièrement l’atome de strontium 87Sr, pour lequel les interactions sont à courte portée et indépendantes de l’état de spin – on parle alors de magnétisme avec symétrie SU(N), où N est le nombre d’états de spin peuplés. Notre approche sera de préparer un état pur et séparable de très basse entropie, en manipulant de manière cohérente le spin des atomes dans un réseau optique ; puis d’étudier son évolution dynamique sous l’effet des interactions entre atomes. On s’intéressera alors à l’approche de ces systèmes quantiques isolés vers leur état d’équilibre. On explorera ainsi la question de l’apparition d’un ordre magnétique. Ces études sont pertinentes du point de vue de l’étude des propriétés magnétiques de systèmes fortement corrélés, en lien avec des questions ouvertes fondamentales dans la physique de la matière condensée (frustration quantique, super-conductivité à haute température)
Nous proposons d’étudier la propagation de corrélations quantiques dans des assemblées d’atomes de grand spin chargés dans des réseaux optiques. Notre démarche s’inscrit dans le développement de nouvelles méthodes et concepts pour appréhender les dynamiques d’intrication et de corrélations dans des systèmes impliquant de grands nombres de particules, en lien avec le développement des technologies quantiques. Le projet de thèse concerne plus particulièrement l’atome de strontium 87Sr, pour lequel les interactions sont à courte portée et indépendantes de l’état de spin – on parle alors de magnétisme avec symétrie SU(N), où N est le nombre d’états de spin peuplés. Notre approche sera de préparer un état pur et séparable de très basse entropie, en manipulant de manière cohérente le spin des atomes dans un réseau optique ; puis d’étudier son évolution dynamique sous l’effet des interactions entre atomes. On s’intéressera alors à l’approche de ces systèmes quantiques isolés vers leur état d’équilibre. On explorera ainsi la question de l’apparition d’un ordre magnétique. Ces études sont pertinentes du point de vue de l’étude des propriétés magnétiques de systèmes fortement corrélés, en lien avec des questions ouvertes fondamentales dans la physique de la matière condensée (frustration quantique, super-conductivité à haute température)
Ce manuscrit présente des activités dans le domaine des atomes froids, portant sur la réalisation de systèmes quantiques composés de spins ou de dipôles en interaction. Des phénomènes du ressort de la simulation quantique du magnétisme seront étudiés, ainsi que le développement de nouvelles technologies quantiques applicables à la métrologie de fréquence.Nous présenterons tout d'abord des expériences de gaz de Rydberg, en interaction via la polarisabilité extrême de ces états. Nous discuterons spécifiquement le régime d'excitation en transparence électromagnétiquement induite. Nous en démontrerons l'intérêt pour l'optique quantique, puis nous l'appliquerons à une expérience de transport excitonique. Nous conclurons par l'analyse d'une d'ionisation en avalanche, propice à la création d'un plasma ultrafroid dans le régime de couplage fort.Dans un second temps, nous présenterons une expérience de simulation quantique du magnétisme de Heisenberg, avec un gaz dégénéré de fermions en réseau optique. La particularité de ce projet est le spin élevé des particules, et une symétrie particulière des propriétés d'interaction. Nous démontrerons l'intérêt des raies étroites de l'atome, le strontium, pour contrôler le degré de liberté de spin de ce système.Dans un dernier temps, nous introduirons une nouvelle activité expérimentale: un laser superradiant, horloge atomique "active" où le rayonnement est généré par un jet d'atomes froids émettant collectivement lors de leur traversée d'une cavité optique. Les paramètres clefs pour la conception de ce dispositif seront présentés, et un développement théorique permettant d'appréhender les principales propriétés du système sera introduit.
Depuis quelques temps, les physiciens théoriciens de la matière condensée sont confrontés à un problème majeur : la puissance de calcul nécessaire pour simuler numériquement et étudier certains systèmes à N corps est insuffisante. Comme le contrôle et l’utilisation des systèmes d’atomes ultra-froids se sont développés de manière importante,principalement durant les deux dernières décennies, nous sommes peut-être en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids piégés dans des réseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des électrons se déplaçant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes piégés dans des réseaux optiques, sont toutes les deux décrites par le même modèle de Fermi-Hubbard, qui est une présentation simplifiée du comportement des fermions sur un réseau périodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des propriétés électriques des matériaux, telle sque la conductivité ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriété smagnétiques telles que l’ordre antiferromagnétique.L’expérience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaillé pendant mon doctorat, a pour but d’étudie rla physique des fermions fortement corrélés, avec un simulateur quantique basé sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, piégés dans le potentiel nanostructuré des réseaux optiques bidimensionnels, générés en champ proche. Pour détecter la distribution atomique à d’aussi courtes distances, nous avons développé une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois terminé, notre système d’imagerie pourrait potentiellement détecter et identifier des sites individuels du réseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je décris le travail que j’ai effectué pour construire l’expérience AUFRONS,ainsi que l’étude de faisabilité que j’ai réalisée pour la technique d’imagerie à super-résolution.
Depuis quelques temps, les physiciens theoriciens de la matiere condensee sont confrontes a un probleme majeur : la puissance de calcul necessaire pour simuler numeriquement et etudier certains systemes a N corps est insuffisante. Comme le controle et l’utilisation des systemes d’atomes ultra-froids se sont developpes de maniere importante,principalement durant les deux dernieres decennies, nous sommes peut-etre en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids pieges dans des reseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des electrons se deplacant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes pieges dans des reseaux optiques, sont toutes les deux decrites par le meme modele de Fermi-Hubbard, qui est une presentation simplifiee du comportement des fermions sur un reseau periodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des proprietes electriques des materiaux, telle sque la conductivite ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriete smagnetiques telles que l’ordre antiferromagnetique.L’experience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaille pendant mon doctorat, a pour but d’etudie rla physique des fermions fortement correles, avec un simulateur quantique base sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, pieges dans le potentiel nanostructure des reseaux optiques bidimensionnels, generes en champ proche. Pour detecter la distribution atomique a d’aussi courtes distances, nous avons developpe une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois termine, notre systeme d’imagerie pourrait potentiellement detecter et identifier des sites individuels du reseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je decris le travail que j’ai effectue pour construire l’experience AUFRONS,ainsi que l’etude de faisabilite que j’ai realisee pour la technique d’imagerie a super-resolution.
Depuis quelques temps, les physiciens théoriciens de la matière condensée sont confrontés à un problème majeur : la puissance de calcul nécessaire pour simuler numériquement et étudier certains systèmes à N corps est insuffisante. Comme le contrôle et l’utilisation des systèmes d’atomes ultra-froids se sont développés de manière importante,principalement durant les deux dernières décennies, nous sommes peut-être en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids piégés dans des réseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des électrons se déplaçant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes piégés dans des réseaux optiques, sont toutes les deux décrites par le même modèle de Fermi-Hubbard, qui est une présentation simplifiée du comportement des fermions sur un réseau périodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des propriétés électriques des matériaux, telle sque la conductivité ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriété smagnétiques telles que l’ordre antiferromagnétique.L’expérience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaillé pendant mon doctorat, a pour but d’étudie rla physique des fermions fortement corrélés, avec un simulateur quantique basé sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, piégés dans le potentiel nanostructuré des réseaux optiques bidimensionnels, générés en champ proche. Pour détecter la distribution atomique à d’aussi courtes distances, nous avons développé une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois terminé, notre système d’imagerie pourrait potentiellement détecter et identifier des sites individuels du réseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je décris le travail que j’ai effectué pour construire l’expérience AUFRONS,ainsi que l’étude de faisabilité que j’ai réalisée pour la technique d’imagerie à super-résolution.
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.