Добірка наукової літератури з теми "Mélanges dégénérés quantiques"

Au cours de ce travail de doctorat, j'ai participé au montage complet d'une expérience visant à refroidir et manipuler deux espèces atomiques alcalines fermioniques, 6Li et 40K. Le dispositif expérimental a pour objectifs l'étude des mélanges de fermions ultra-froids de masses différentes et la réalisation d'un simulateur analogique quantique flexible. En effet, là où certains problèmes quantiques à N corps en interaction, comme la supraconductivité à haute température critique ou l'antiferromagnétisme frustré, sont difficiles à aborder analytiquement et numériquement, les atomes froids, systèmes purs et contrôlables jusque dans leur interaction, offrent un point de vue complémentaire intéressant. Lors de la conception du dispositif expérimental, nous avons assemblé une enceinte à ultra-vide, réalisé un système laser stabilisé complet pour chaque espèce et mis en place deux sources atomiques performantes, un ralentisseur Zeeman de 6Li et un piège magnéto-optique bidimensionnel de 40K; la plupart des grandeurs optiques et électriques ainsi que les diagnostiques d'imagerie étant contrôlés par voie informatique. Ces premières étapes ont permis l'obtention d'un piège magnéto-optique à deux espèces performant, contenant typiquement 5x10^9 atomes de 6Li et 8x10^9 atomes de 40K. Dans cette configuration, nous avons produit les premières molécules hétéronucléaires de 6Li40K* par photoassociation, pour lesquelles nous avons observé et identifié 70 raies rovibrationnelles. Dans une seconde partie, je décris en détail le transport magnétique du mélange atomique entre la cellule du piège magnéto-optique et une cellule d'expérience, où règne un vide poussé et bénéficiant d'un grand accès optique. Ce dispositif complet, de sa conception à son optimisation expérimentale, en passant par son assemblage mécanique et la mise en place du programme de contrôle et des diagnostiques numériques, constitue le coeur de mon travail. Son efficacité a pu être testée et optimisée, permettant ainsi un transfert performant du mélange vers la cellule finale. Aussi, à l'issue de cette thèse, tous les outils sont opérationnels pour poursuivre le refroidissement du mélange par évaporation dans un piège magnétique, et par conséquent le champ est ouvert pour la simulation quantique et la compréhension de problèmes à N corps dans les mélanges de gaz de Fermi ultra-froids.

Un des principaux objectifs de la physique fondamentale est d'unifier la relativité générale, qui décrit les phénomènes macroscopiques régis par l'influence de la gravité, à la mécanique quantique, qui se concentre sur les effets à l'échelle microscopique. Les ensembles d'atomes froids, en tant qu'objets massifs quantiques, se trouvent au croisement de ces deux théories et paraissent comme des sujets de tests idéaux. Ils peuvent être utilisés pour tester des théories qui postulent une violation des principes d'équivalence d'Einstein et en particulier une violation de l'universalité de la chute libre (UFF).Des propositions récentes suggèrent d'utiliser des mélanges de condensats de Bose-Einstein (BEC) comme sources d'interféromètres atomiques de précision pour implémenter des tests UFF. Ces expériences ont le potentiel d'atteindre et même de dépasser la précision des meilleurs tests réalisés avec des masses classiques durant la mission MICROSCOPE. L'exécution d'expériences en microgravité permet des temps d'interrogation plus longs, améliorant par conséquent les performances des capteurs à ondes de matière. Pour optimiser l'implémentation des tests UFF, il est nécessaire d'avoir un contrôle parfait des atomes dû aux exigences strictes sur le budget d'erreurs. Dans ce travail, nous nous concentrons sur la conception d'états d'entrée avec un contrôle en position et vitesse des nuages d'atomes, ainsi que leurs évolutions en taille.Les expériences étudiées ici sont conçues avec des montages avec puce atomique qui manipulent les atomes à l'aide de pièges magnétiques. La plupart des applications présentées sont des expériences réalisées dans le Cold Atom Laboratory (CAL) de la NASA à bord de la Station Spatiale Internationale dans le cadre du Consortium for Ultracold Atoms in Space. Cette machine à BEC multi-utilisateur permet la manipulation de BEC simple-espèce à son installation ainsi que celle de mélanges de BEC double-espèces après des améliorations. En suivant cette chronologie, nous étudions d'abord la dynamique de BEC simple-espèce puis étendons ce travail à la manipulation d'un mélange de deux BECs en interaction. La première étape après la calibration du modèle à puce est de concevoir un transport rapide et robuste pour éloigner les atomes de la puce. Nous présentons et utilisons un protocole de raccourci à l'adiabaticité sur la base de rétro-ingénierie, pour transporter le BEC et atteindre les exigences sur le contrôle de la position et vitesse finale. L'expansion libre du nuage atomique avec la chute inhérente de densité rend la détection du signal difficile. Par analogie avec la lumière, il est possible de collimater le nuage atomique avec une lentille atomique à l'aide de la technique de Delta-Kick Collimation. Les applications à CAL ont abouti à des énergies d'expansion de l'ordre de la dizaine de pK. Pour simuler le processus d'imagerie et soutenir l'analyse de données, des modèles théoriques qui prennent en compte les effets de résolution de la caméra et les changements de repères associés à l'orientation de la caméra ou l'orientation du potentiel de piégeage par rapport à la puce atomique sont présentés.L'espace permet la manipulation de mélanges de condensats de Bose-Einstein sous des conditions de miscibilité impossibles à obtenir au sol. La colocation des centres des pièges pour les différentes espèces en microgravité peut mener à des topologies différentes de l'état fondamental du piège. De plus, l'énergie d'interaction entre les espèces peut jouer un rôle significatif dans la dynamique du mélange lors de son transport. Cependant, la simulation de la dynamique de mélanges de BEC double-espèces en interaction est un défi sur le plan des ressources informatiques, surtout à cause des longues durées d'expansion. Dans ce travail, des méthodes de mise à l'échelle pour dépasser ces limitations sont présentées et illustrées dans des cas d'expériences dans l'espace dans CAL et à bord de fusées-sondes
One of the major goals of fundamental physics is to unify general relativity, which describes macroscopic phenomena driven by the influence of gravity, with quantum mechanics, which focuses on effects at microscopic scales. Ensembles of cold atoms, as massive quantum objects, lie at the crossroads of both theories and appear as a test object of choice. They can be used to test theories that postulate a violation of Einstein's Equivalence Principles, in particular a violation of the Universality of Free Fall (UFF).Recent proposals suggest using mixtures of Bose-Einstein condensates (BEC) as sources for precision atom interferometry to perform UFF. These have the potential to match the precision of the best tests with classical test masses performed during the MICROSCOPE mission, and may even provide better results in the long term. The realization of experiments in microgravity, where atoms can float for long periods of time, allows longer interrogation times, thus increasing the performance of matter-wave sensors. To optimize the implementation of UFF tests, one needs exquisite control of the atoms due to stringent requirements on the error budget. In this work, we focus on the design of the input state with control over the position and velocity of the atom clouds, as well as their size evolution.The experiments studied here are designed with atom chip setups that manipulate atoms with magnetic traps. Most of the applications presented are experiments performed in the NASA Cold Atom Laboratory (CAL) aboard the International Space Station as part of the Consortium for Ultracold Atoms in Space (CUAS). This multi-user BEC machine allows the manipulation of single species BEC at its installation as well as dual species mixtures after upgrades. Following this chronology, we first study the dynamics of single species BEC and then extend the work to the manipulation of an interacting mixture of two BECs. The first step after calibrating the chip model is to design a fast and robust transport protocol to move the atoms away from the atom chip. We present and use a Shortcut-To-Adiabaticity (STA) protocol, based on reverse engineering, to transport the BEC and meet the requirements of position control at the sub- extmu m level and velocity control at the hundreds of extmu m/s level. The free expansion of the atom cloud with its inherent atomic density drop makes signal detection difficult. By analogy with light, it is possible to collimate the atom cloud with atomic lenses using the Delta-Kick Collimation (DKC) technique. Application to CAL resulted in expansion energies in the tens of pK level. To simulate the imaging process and to support the data analysis, theoretical models are presented that take into account the resolution effects of the camera and the frame transformations associated with the orientation of the camera or the orientation of the trapping potential with respect to the atom chip.Space allows the operation of Bose-Einstein condensate mixtures under miscibility conditions not possible on the ground. The colocation of the trap center for the different species in microgravity can lead to different topologies of the trap ground state. Moreover, the interaction energy between the species, which is almost negligible in the ground state, plays a significant role in the dynamics of the mixture during its transport. However, the simulation of the dynamics of interacting dual-species BEC mixtures is computationally challenging, particularly due to the long expansion times. In this work, scaling techniques to overcome these limitations are presented and illustrated in the case of space experiments in CAL and aboard sounding rockets. Such scaled-grid approaches make it possible to simulate long transports with free expansion times on the order of seconds, which would not be feasible with a fixed-grid approach on reasonable time scales, not to mention the problems of memory usage

Ce travail rend compte de nouvelles techniques développées pour l'étude expérimentale de gaz ultrafroids de lithium et de potassium fermioniques. Les améliorations de notre expérience 6Li-40K y sont décrites et caractérisées. Nous présentons un laser solide de grande finesse capable d'émettre 5W de puissance à 671 nm. Nous utilisons cette source laser dans le contexte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition atomique D1 des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium. Cette melasse D1 nous permet de refroidir simultanément les atomes de 6Li et de 40K à des températures bien inférieures à la limite Doppler, tout en manipulant des grands nombres d'atomes à des densités importantes. Nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases après l'étape de mélasse de l'ordre de 10-4 à la fois pour le 6Li et le 40K. Le refroidissement laser D1 ouvre la voie à une évaporation rapide vers la dégénérescence quantique dans un piège magnétique ou optique. Nous présentons le refroidissement évaporatif d'atomes de 40K. L'évaporation débute dans une piège magnétique pluggé et continue dans un piège dipolaire optique. A l'issue de l'évaporation, nous obtenons un mélange de spins dégénéré, avec plus de 7x105 atomes dans chacun des deux états de spin et une température T/TF<0.34
This thesis reports on novel techniques for experimental studies of ultracold, fermionic lithium and potassium quantum gases. The new parts of our 6Li-40K apparatus are described and characterised. We present a narrow-linewidth, all-solid-state laser source, emitting 5W at 671 nm. We employ the laser source in the context of a novel sub-Doppler cooling mechanism, operating on the D1 atomic transition of alkali atoms, for laser cooling of lithium. This D1 molasses allows us to simultaneously cool a mixture of 6Li and 40K atoms to deep sub-Doppler temperatures, while retaining large atom numbers and high atomic densities. The measured phase space densities after the molasses phase are on the order of 10-4 for both 6Li and 40K. The D1 laser cooling paves the way for fast evaporation to quantum degeneracy in magnetic and optical traps. We present the evaporative cooling of 40K atoms. The evaporation starts in an optically plugged magnetic quadrupole trap and continues in an optical dipole trap. At the end of the evaporation, we obtain a quantum degenerate spin-mixture of 40K atoms, with more than 7x105 atoms in each of the two spin states and T/TF<0.34

Une technique couramment employée pour développer les sources de paires de photons corrélés indispensables au domaine des télécommunications quantiques repose sur le processus non linéaire de mélange à quatre ondes, qui peut avoir lieu directement dans le cœur d’une fibre optique. Cette architecture fibrée permet de s’adapter au mieux aux besoins des réseaux de communications quantiques (en particulier en minimisant les pertes par couplage lors de la connexion de la source aux autres composants du réseau). L’utilisation d’une fibre microstructurée plutôt que d’une fibre de silice conventionnelle permet d’ajuster les propriétés de dispersion de la fibre et d’optimiser l’efficacité du processus non linéaire. Cependant, les sources fibrées usuelles, à cœur de silice, présentent une limitation majeure : leur pureté quantique est fortement dégradée par la diffusion Raman spontanée, qui survient elle aussi dans le cœur en silice de la fibre. Pour s’affranchir de ce problème, notre idée est de remplacer le cœur en silice par un cœur liquide, en utilisant une fibre microstructurée à cœur creux rempli d’un liquide non linéaire. Nos recherches nous ont ainsi conduits à faire la première démonstration expérimentale de génération de paires de photons corrélés dans une fibre à cœur liquide, et à montrer que, grâce aux propriétés Raman particulières des liquides (dont le spectre Raman se présente en général sous la forme de raies très fines), il était possible de réduire de plusieurs ordres de grandeur le niveau de diffusion Raman spontanée dans la source. Ce travail ouvre donc la voie au développement de sources de paires de photons corrélés fibrées de très haute qualité quantique
Quantum telecommunication technologies rely on correlated photon pair sources, which are often based on the third-order nonlinear process of spontaneous four-wave mixing in silica-core photonic crystal fibres. A fibred architecture is advantageous because it minimizes the coupling losses between the optical source and the other components of quantum communication networks. Moreover, using a photonic crystal fibre rather than a conventional silica fibre offers the possibility of improving the photon generation (thanks to a small effective core area) and extending the wavelength coverage (thanks to dispersion management through the microstructuration design). However, the performances of silica-core photonic crystal fibre sources are limited in terms of quantum purity, because of the ubiquitous spontaneous Raman scattering process, which is a source of uncorrelated broadband noise photons in silica. We propose an original solution to this Raman problem by replacing the silica core by a liquid core, thanks to a hollow-core photonic crystal fibre filled with a nonlinear liquid. We actually performed the first experimental demonstration of the generation of correlated photon pairs in a liquid-core fibre, and demonstrated that, thanks to the specific Raman properties of liquids (which usually exhibit thin-line Raman spectra), it is possible to reduce the Raman noise level by several orders of magnitude. This work opens the way for the development of high quantum quality correlated photon pair fibred sources

Cette thèse présente de nouvelles techniques pour l'étude expérimentale des gaz quantique ultrafroids d'atomes fermioniques de lithium et de potassium. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons la conception et la caractérisation des nouveaux composants de notre dispositif expérimental capable de piéger et refroidir simultanément des atomes de $^6$Li et de $^{40}$K à des températures ultrabasses. Nous rendons compte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition de la raie D$_1$ des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium et de potassium par laser. Après cette étape de mélasse, nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases de l'ordre de $10^{-4}$ à la fois pour le $^6$Li et le $^{40}$K. Nous présentons le refroidissement par évaporation forcée d'atomes de $^{40}$K qui commence dans un piège magnétique quadripolaire pluggé et continue dans un piège optique dipolaire. Dans ce contexte, nous rendons compte de la production d'un gaz quantique de Fermi dégénéré de $1.5\times10^5$ atomes de $^{40}$K dans un piège dipolaire croisé avec $T/T_{_F} = 0.17$, ce qui ouvre la voie à l'étude des superfluides de $^{40}$K en interaction forte. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons une source laser à état solide, de faible largeur spectrale et capable d'émettre 5.2 W de puissance autour de 671 nm, dans la gamme des longueurs d'onde des transitions de la raie D du lithium. La source repose sur un laser en anneau pompé par diode, émettant sur la transition à 1342 nm de Nd:YVO$_4$, capable de produire 6.5 W de lumière dans un faisceau monomode limité par la diffraction. Nous rendons compte de trois différentes approches pour la génération de seconde harmonique du faisceau de sortie, à savoir en utilisant une cavité amplificatrice comprenant un cristal ppKTP, par doublage de fréquence intracavité et par un structure de guide d'onde de ppZnO:LN
This thesis presents novel techniques for the experimental study of ultracold quantum gases of fermionic lithium and potassium atoms. In the first part of this thesis, we describe the design and characterization of the new components of our experimental apparatus capable of trapping and cooling simultaneously $^6$Li and $^{40}$K atoms to ultracold temperatures. We report on a novel sub-Doppler cooling mechanism, operating on the D$_1$ line transition of alkali atoms, for laser cooling of lithium and potassium. The measured phase space densities after this molasses phase are on the order of $10^{-4}$ for both $^6$Li and $^{40}$K. We present the forced evaporative cooling of $^{40}$K atoms, starting in an optically plugged magnetic quadrupole trap and continuing in an optical dipole trap. In this context, we report on the production of a quantum degenerate Fermi gas of $1.5\times10^5$ atoms $^{40}$K in a crossed dipole trap with $T/T_{_F} = 0.17$, paving the way for the study of strongly interacting superfluids of $^{40}$K. In the second part of this thesis, we present a narrow-linewidth, all-solid-state laser source, emitting 5.2 W in the vicinity of the lithium D-line transitions at 671 nm. The source is based on a diode-end-pumped unidirectional ring laser operating on the 1342 nm transition of Nd:YVO$_4$, capable of producing 6.5 W of single-mode light delivered in a diffraction-limited beam. We report on three different approaches for second-haromonic generation of its output beam, namely by employing an enhancement cavity containing a ppKTP crystal, intracavity frequency doubling and a ppZnO:LN waveguide structure

Cette thèse décrit l'observation expérimentale de l'effet Hong-Ou-Mandel avec une sourceatomique ultra-froide. L’expérience originale réalisée en 1987 par C. K. Hong, Z. Y. Ou et L. Mandel illustre de façon simple une interférence à deux particules explicable uniquement par la mécanique quantique : deux particules bosoniques et indiscernables, arrivant chacune sur une face d'entrée différente d'une lame semi-réfléchissante ressortent ensemble. Cet effet se traduit par une réduction du taux de détection en coïncidence entre les deux voies de sortie quand les particules arrivent simultanément sur la lame. Cette expérience fut originalement réalisée avec des photons et nous rapportons ici la première mise en oeuvre expérimentale avec des particules massives se propageant dans l’espace libre.Après présentation des différentes techniques nécessaires à sa réalisation, nous décrivons cette expérience et analysons les résultats obtenus. En particulier, la réduction du taux de coïncidence est suffisamment forte pour exclure toute interprétation classique ; l'observation de cet effet constitue une brique fondamentale dans le domaine de l’information quantique atomique
In this thesis, we report the first realisation of the Hong–Ou–Mandel experiment with massive particles in momentum space. This milestone experiment was originally performed in quantum optics: two photons arriving simultaneously at the input ports of a 50:50 beam-splitter always emerge together in one of the output ports. The effect leads to a reduction of coincidence counts which translates into a dip when particles are indistinguishable. We performed the experiment with metastable helium atoms where the specificities of the Micro-Channel-Plate detector allows one to recover the momentum vector of each individual atom.After listing the necessary tools to perform this experiment with atoms, the experimental sequence is discussed and the results are presented. In particular we measured a coincidence count reduction that cannot be explained through any simple classical model. This corresponds to the signature of a two-particle interference, and confirms that our atomic pair source produces beams which have highly correlated populations and are well mode matched. This opens the prospect of testing Bell’s inequalities involving mechanical observables of massive particles, such as momentum, using methods inspired by quantum optics. It also demonstrates a new way to produce and benchmark twin-atom pairs that may be of interest for quantum information processing