Construction d'une nouvelle expérience pour l'étude de gaz quantiques dégénérés des réseaux optiques, et étude d'un système d'imagerie super-résolution

Construction of a new experiment for studying degenerated quantum gases in optical lattices, and study a of a super resolution imaging system.

• Auteur / Autrice : Hugo Salvador Vasquez Bullon
• Direction : Philippe Bouyer, Simon Bernon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, matière et nanosciences
• Date : Soutenance le 29/02/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Cayssol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Bourdel, Jean-François Clément, Letitia Tarruell
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Boyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique quantique

Atomes froids

Mots clés libres

Atomes froids

Imagerie

Super-résolution

Limite de diffraction

Simulateur quantique

Cold atoms

Imaging

Super resolution

Diffraction limit

Quantum simulator

Résumé

Depuis quelques temps, les physiciens théoriciens de la matière condensée sont confrontés à un problème majeur : la puissance de calcul nécessaire pour simuler numériquement et étudier certains systèmes à N corps est insuffisante. Comme le contrôle et l’utilisation des systèmes d’atomes ultra-froids se sont développés de manière importante,principalement durant les deux dernières décennies, nous sommes peut-être en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids piégés dans des réseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des électrons se déplaçant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes piégés dans des réseaux optiques, sont toutes les deux décrites par le même modèle de Fermi-Hubbard, qui est une présentation simplifiée du comportement des fermions sur un réseau périodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des propriétés électriques des matériaux, telle sque la conductivité ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriété smagnétiques telles que l’ordre antiferromagnétique.L’expérience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaillé pendant mon doctorat, a pour but d’étudie rla physique des fermions fortement corrélés, avec un simulateur quantique basé sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, piégés dans le potentiel nanostructuré des réseaux optiques bidimensionnels, générés en champ proche. Pour détecter la distribution atomique à d’aussi courtes distances, nous avons développé une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois terminé, notre système d’imagerie pourrait potentiellement détecter et identifier des sites individuels du réseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je décris le travail que j’ai effectué pour construire l’expérience AUFRONS,ainsi que l’étude de faisabilité que j’ai réalisée pour la technique d’imagerie à super-résolution.

For some time now, theoretical physicists in condensed matter face a majorproblem: the computing power needed to numerically simulate and study some interactingmany-body systems is insufficient. As the control and use of ultracold atomic systems hasexperimented a significant development in recent years, an alternative to this problem is to usecold atoms trapped in optical lattices as a quantum simulator. Indeed, the physics of electronsmoving on a crystalline structure of a solid, and the one of trapped atoms in optical lattices areboth described by the same model, the Fermi-Hubbard model, which is a simplifiedrepresentation of fermions moving on a periodic lattice. The quantum simulators can thusreproduce the electrical properties of materials such as conductivity or insulating behavior, andpotentially also the magnetic ones such as antiferromagnetism.The AUFRONS experiment, in which I worked during my PhD, aims at building a quantumsimulator based on cooled atoms of 87Rb and 40K trapped in near field nanostructured opticalpotentials. In order to detect the atom distribution at such small distances, we have developedan innovative imaging technique for getting around the diffraction limit. This imaging systemcould potentially allow us to detect single-site trapped atoms in a sub-wavelength lattice.In this thesis, I introduce the work I have done for building the AUFRONS experiment, as wellas the feasability study that I did for the super-resolution imaging technique.