Mesure de l’interaction de van der Waals entre deux atomes de Rydberg

Measurement of the van der Waals interaction between two Rydberg atoms

• Auteur / Autrice : Lucas Beguin
• Direction : Antoine Browaeys
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2013
• Etablissement(s) : Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique quantique
• Jury : Président / Présidente : Pierre Pillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Lahaye, Tilman Pfau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Chevy, James V. Porto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intrication quantique

Pinces optiques

Rydberg, États de

Théorie quantique

Mots clés libres

Simulation quantique

Atome unique

Pinces optiques

Atomesde Rydberg

Interaction dipôle-dipôle

Interaction de van der Waals

Blocage de Rydberg

Intrication

Quantum simulation

Single atoms

Optical tweezers

Rydberg atoms

Dipole-dipole interaction

Van der Waals interaction

Rydberg block- ade

Entanglement

Résumé

Les atomes neutres sont des candidats prometteurs pour la réalisation et l’étude d’états intriqués à quelques dizaines de particules. Pour générer de tels états, une approche consiste à utiliser le mécanisme de blocage dipolaire résultant des fortes interactions dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg.Suivant cette approche, cette thèse présente la conception et la caractérisation d’un dispositif expérimental permettant de manipuler des atomes de 87Rb individuels piégés dans des pinces op- tiques microscopiques, et à les exciter vers des états de Rydberg. Un environnement électrostatique stable et des électrodes de contrôle permettent une manipulation fine de ces états. Avec deux pinces optiques séparées de quelques microns, nous démontrons le blocage de Rydberg entre deux atomes, et nous observons leur excitation collective.Enfin, en opérant en régime de blocage partiel, nous développons une méthode permettant de mesurer l’interaction de van der Waals ∆E = C6 /R6 entre deux atomes séparés par une distance R contrôlée. Les coefficients C6 obtenus pour différents états de Rydberg sont en bon accord avec des calculs théoriques ab initio, et nous observons l’augmentation spectaculaire de l’interaction en fonction du nombre quantique principal n de l’état de Rydberg.

Neutral atoms are promising candidates for the realization of entangled states involving up to a few tens of particles. To generate such states, one approach consists in using the dipole blockade mechanism, which results from the strong dipole-dipole interactions between Rydberg atoms.Following this approach, this thesis describes the design and the characterization of an experimental apparatus allowing to manipulate single 87Rb atoms trapped in microscopic optical tweezers, and to excite them towards Rydberg states. A stable electrostatic environment and controlled electrodes enable the fine manipulation of these states. Using two optical tweezers separated by a few microns, we demonstrate the Rydberg blockade between two single atoms, and we observe their collective excitation.Finally, by operating in the partial blockade regime, we develop a method allowing to measure the van der Waals interaction ∆E = C6 /R6 between two atoms separated by a controlled distance R. The C6 coefficients obtained for various Rydberg states agree well with ab initio theoretical calculations, and we observe the dramatic increase of the interaction with the principal quantum number n of the Rydberg state.