Physique à quelques et à N- corps dans les gaz de Rydberg froids

Few and Many-body Physics in cold Rydberg gases

• Auteur / Autrice : Paul Huillery
• Direction : Daniel Comparat, Ennio Arimondo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/03/2013
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Università degli studi (Pise, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Chris Westbrook
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Comparat, Ennio Arimondo, Chris Westbrook, Immanuel Bloch, Michael Fleischhauer, Maria Allegrini, Francesco Fuso, Pierre Pillet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Immanuel Bloch, Michael Fleischhauer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intrication quantique

Atomes froids

Rydberg, États de

Mots clés libres

Atomes de Rydberg

Physique à N-corps

Systèmes en intéraction

Processus à 4 corps

Atomes froids

Corrélation quantique

Effet coopératif

Réseau optique

Rydberg atoms

Many-body Physics

Interacting system

4 body process

Cold atoms

Quantum Correlation

Cooperative effect

Optical lattice

Résumé

Au cours de cette thèse, la physique des systèmes en interaction à été étudié expérimentalement à partir de gaz froids d'atomes de Rydberg. Les atomes de Rydberg sont des atomes dans un état fortement excités et ils ont la propriété d'interagir fortement du fait d'interactions électrostatiques à longue portée. Le premier résultat majeur de cette thèse est l'observation expérimentale d'un processus à quatre corps. Ce processus consiste en l'échange d'énergie interne entre quatre atomes de Rydberg induit par leurs interactions mutuelles. Il a été possible, en plus de son observation expérimentale, de décrire théoriquement ce processus, au niveau quantique. L'excitation par laser des gaz d'atomes de Rydberg en forte interaction a aussi été étudiée durant cette thèse. Cette situation donne lieu à de très intéressants comportements à N-corps. Ce sujet d'intérêt fondamental pourrait aussi amener à d'éventuelles applications pour la réalisation de simulateurs quantiques ou de sources de lumière non classiques. Un second résultat majeur de cette thèse est l'observation expérimentale d'une statistique fortement sub-poissonienne, i.e corrélée de l'excitation Rydberg. Ce résultat confirme le caractère à N-corps de tels systèmes. Le troisième résultat majeur de cette thèse est le développement d'un modèle théorique pour l'excitation par laser des gaz d'atomes de Rydberg en forte interaction. En utilisant les états quantiques dit états collectifs de Dicke, il a été possible de mettre au jour de nouveaux mécanismes liés au comportement à N-corps de ces sytèmes atomiques en forte interaction.

Uring this thesis, the Physics of interacting systems has been investigated experimentally using Cold Rydberg gases. Rydberg atoms are highly excited atoms and have the property to interact together through long-range electrostatic interactions.The first highlight of this thesis is the direct experimental observation of a 4-body process. This process consists in the exchange of internal energy between 4 Rydbergs atoms due to their mutual interactions. In addition to its observation, it has been possible to describ this process theoretically at a quantum level.The laser excitation of strongly interacting Rydberg gases has been also investigated during this thesis. In this regime, the interactions between Rydberg atoms give rise to very interesting many-body behaviors. In addition to fundamental interest, such systems could be used to realyze quantum simulators or non-classical light sources.A second highlight of this thesis is the experimental observation of a highly sub-poissonian, i.e correlated, excitation statistics. This result confirms the many-body character of the investigated system.The third highlight of this thesis is the development of a theoretical model to describ the laser excitation of strongly interacting Rydberg gases. Using the so-called Dicke collective states it has been possible to point out new mechanismes related to the many-body character of strongly atomic interacting systems.