Sensibilité accrue par effet quantique et niveaux de Landau synthétiques avec des atomes de dysprosium ultrafroids

Autor: Chalopin, Thomas
Přispěvatelé: Laboratoire Kastler Brossel (LKB [Collège de France]), École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Fédération de recherche du Département de physique de l'Ecole Normale Supérieure - ENS Paris (FRDPENS), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Collège de France (CdF (institution)), Sorbonne Université, Jean Dalibard, Sylvain Nascimbène
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Quantum Gases [cond-mat.quant-gas]. Sorbonne Université, 2019. English
Quantum Gases [cond-mat.quant-gas]. Sorbonne Université, 2019. English. ⟨NNT : 2019SORUS589⟩
Popis: This thesis presents several experimental studies based on light-spin interaction in ultracold gases of dysprosium. The complex electronic structure of dysprosium is at the origin of peculiar atomic properties -- such as a large magnetic moment, a large angular momentum in the ground state, and narrow optical transitions -- which can be used to explore a large variety of physical phenomena.The manuscript contains three relatively independent parts. In the first part, we give a global description of the apparatus, and of the experimental protocol that leads to the production of degenerate gases of bosonic dysprosium. A key step of our experimental sequence consists in using the intercombination line at 626 nm to perform in-trap Doppler cooling. We show in particular that the strong anisotropy of the corresponding excited state's polarizability is beneficial for the following evaporative cooling scheme. In the second part, we present experiments that use the strong light-spin coupling associated to this intercombination line to coherently manipulate the internal states of the atoms and to realize non-classical spin states. We focus primarily on the realization of N00N states, which are coherent superpositions of classical states with opposite magnetizations. We experimentally demonstrate that the magnetic field sensitivity of the states that we produce is close to the Heisenberg limit.The last part is dedicated to the study of quantum Hall physics, which we realize with our system by encoding a synthetic dimension in the internal degree of freedom of the atoms. We show in particular that, using spin-orbit coupling, we realize a system that has the same structure as Landau levels. We probe paradigmatic properties of the lowest Landau level: suppressed dispersion in the bulk, chiral edge modes, cyclotron and skipping orbits, and a Hall response that is characteristic of a non-trivial topology.; Cette thèse porte sur plusieurs études expérimentales qui se basent sur les interactions entre photons et atomes ultrafroids de dysprosium. La structure électronique complexe du dysprosium est à l'origine de ses propriétés atomiques singulières -- son grand moment magnétique, son grand moment orbital dans l'état fondamental, ses transitions optiques fines -- qui donnent accès à une phénoménologie physique riche et diversifiée.Ce manuscrit est structuré en trois parties relativement indépendantes. 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 en particulier que la forte anisotropie de la polarisabilité de l'état excité correspondant est bénéfique pour le refroidissement évaporatif qui suit.Dans la deuxième partie, nous présentons des expériences qui utilisent le couplage fort entre les photons et le spin, inhérent à cette raie d'intercombinaison, pour manipuler de façon cohérente les états internes des atomes et réaliser des états non-classiques de spin. Nous nous concentrons en particulier sur la réalisation d'états N00N, correspondant à la superposition cohérente d'états classiques ayant des aimantations opposées. Nous démontrons expérimentalement que la sensibilité aux champs magnétiques des états que nous produisons est proche de la limite de Heisenberg.La dernière partie est dédiée à la physique de l'effet Hall quantique, que nous pouvons étudier avec notre système en encodant une dimension synthétique dans les degrés de liberté internes des atomes. Nous montrons en particulier qu'à l'aide d'un couplage spin-orbite, nous réalisons un système qui a la même structure que les niveaux de Landau. Nous observons les propriétés paradigmatiques du niveau de Landau fondamental : une dispersion supprimée dans le cœur du système, des états de bords chiraux, des orbites cyclotrons et des orbites sautantes, ainsi qu'une réponse de Hall caractéristique d'une topologie non-triviale.
Databáze: OpenAIRE
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