Ralentir le déphasage des états de superposition atomiques dans un cristal de Tm3+ : YAG

Slow down dephasing of atomic superposition states in a Tm3+ : YAG crystal

• Auteur / Autrice : Robert-christopher Tongning
• Direction : Jean-Louis Le Gouët
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/03/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• 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 : Julien Laurat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Le Gouët, Julien Laurat, Stéphane Guérin, Hervé Vezin, Fabrice Bert, Maria Florencia Pascual Winter
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Guérin, Hervé Vezin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terres rares

Spin

Cohérence (physique nucléaire)

Mots clés libres

Mémoire quantique

Ensemble atomique

Passage adiabatique rapide

Écho de spin

Découplage dynamique

Séquence CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill)

Temps de vie des cohérences atomiques

Technique ZEFOZ (ZEro First Order Zeeman shift)

Quantum memory

Atomic ensemble

Rapid adiabatic passage

Spin echo

Dynamical decoupling

CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) sequence

Atomic coherence lifetime

ZEFOZ (Zero First Order Zeeman shift) technique

Résumé

Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L’information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s’intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d’une raie d’absorption, puis de conserver l’information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l’information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l’aimantation initiale, porteuse de l’information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu’une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l’allongement du temps de vie de ces cohérences optiques.

This work takes place in the context of research about quantum memories for light. The quantum information is stored in an atomic superposition state whose lifetime sets the maximum storage time. We are particularly interested in materials which are able to hold the light by resonant excitation of an absorption line, preserving the quantum information in a superposition state of the electronicfundamental.n Tm3+:YAG the information is stored in a nuclear spin state. However, the magnetic field which lifts the nuclear degeneracy generates different precession speeds of the spins. This destroys theinitial magnetization carrier of the information.In the first chapter of this thesis, a quantum analysis of the crystal is done. The following three chapters are devoted to different mechanisms to control the nuclear spins dephasing. There it ispossible to find different theoretical analysis which will be confirmed by a series of experimental measurements, including an extended description of the set-up. Finally, the last chapter presentsthe different techniques used to preserve the optical coherence. Promising experimental measurements are presented to extend the life time of the optical coherences.