Dynamique et manipulation coherente des bosons et fermions sur anneau : ‘atomtronique'

par Giovanni Pecci

Projet de thèse en Physique Théorique

Sous la direction de Anna Minguzzi.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Physique et de Modélisation des Milieux Condensés (laboratoire) depuis le 30-09-2019 .


  • Résumé

    L'atomtronique est une ligne de recherche emergente qui se concentre sur l'étude des atoms confinés dans des géometries spécifiquement dessinées, appéllée 'circuits à atomes'. Dans ces systèmes, les atomes sont controlés par des faisceaux lasers avec differentes formes et intensités, ou par des micro-circuits magnetiques (les puces à atomes). L'atomtronique a comme objectifs à la fois les applications au calcul quantique et à a communication quantique, mais aussi de produire des nouvaux simulateurs quantiques et permettre d'acceder à des nouvaux régimes pour les études de physique fondamentale. En particulier, l'atomtronique se base sur des importantes avancées expérimentales dans le refroidissement et piegeage des atomes froids en basses dimensions. Il est est possible par exemple de pieger des atomes dans des anneaux uniformes et dans des réseaux en anneau. L'application la plus ambitieuse de l'atomtronique est la production des dispositifs de technologie quantique en exploitant le controle des atomes et leur sensitivité aux champs externes (gravité, rotation). En particulier, l'un des objectifs est de réaliser des nouveaux simulateurs quantiques qui permettent de réduire les effets de taille finie grace aux conditions periodiques sur anneau ou modéliser transport dans des materiaux, ainsi que réaliser des capteurs en utilisant des interféromètres du type Mach-Zender ou Sagnac pour des mesures de précision des changements dans les champs gravitationnels et dans les rotations. Cette thèse a deux objectifs principaux: au niveau fondamental, des nouveaux approches théoriques seront developpés, afin decrire la dynamique des bosons et fermions fortement corrélés. Ceci sera possible grace aux progrès dans les solutions exactes et dans des théories des champs effectives. Ceci nous permettra de progresser dans notre comprehension des systemes en forte interaction hors équilibre. Deuxiemment, au niveau des technologies quantiques, des nouveaux schemas d'atomtronique seront étudies grace aux outils théoriques nouvellement developpés.

  • Titre traduit

    Dynamics and coherent manipulation of bosons and fermions on a ring: atomtronics


  • Résumé

    Atomtronics is an emerging research area focusing on the study of atoms in specifically designed geometries, eg atomic ‘circuits'. It promises to realize architecture of 'atomic circuits' that exploits ultra-cold atoms manipulated in versatile micro-optical circuits generated by laser fields of different shapes and intensities or micro-magnetic circuits known as atom chips. Although devising new applications for computation and information transfer is a defining goal of the field, atomtronics wants to enlarge the scope of quantum simulators and to access new physical regimes with novel fundamental science. It is stimulated by experimental advances in trapping and cooling ultracold atoms in restricted and controllable geometries. It includes the possibility of realizing closed loops for atoms in the form of rings and ring lattices, as well as in the form of wires, where transport among reservoirs has been demonstrated. The ultimate goal of this field is to exploit the flexibility and control of ultracold atoms, as well their sensitivity to external fields (gravity, rotation) to propose a new generation of quantum-technological devices. Applications range to quantum simulation, allowing eg to minimize the effect of boundary conditions in a ring geometry, or to model quantum transport in real materials, to quantum sensing, where Mach-Zender or Sagnac atom interferometric schemes allow for accurate measurements of changes in gravitational fields and in rotation. The thesis project has two main objectives: first, at fundamental level, it will aim to develop new theoretical approaches, capable to describe the dynamics of strongly correlated bosons and fermions. This will be both performed thanks to progress in exact solutions and effective field theories. The development of such schemes will allow to progress in our understanding of the highly out-of-equilibrium quantum dynamics of strongly correlated systems. Second, at quantum technological level, we will conceive and simulate new atomtronics schemes, based on the developed theoretical tools.