Compression et dynamique de spin dans une horloge à atomes piégés

Spin squeezing and spin dynamics in a trapped-atom clock

• Auteur / Autrice : Meng-Zi Huang
• Direction : Jakob Reichel, Carlos L. Garrido Alzar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Ludovic Pricoupenko
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rodolphe Boudot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Monika Schleier-Smith, Morgan Mitchell

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodynamique quantique en cavité

Spin

Horloges atomiques

Mots clés libres

Horloge atomique

Métrologie quantique

États comprimés de spin

Électrodynamique quantique en cavité

Dynamique de spin

Microcircuit à atomes

Cavité fibrée

Atomes froids

Atomic clock

Quantum metrology

Spin-squeezed states

Cavity quantum electrodynamics

Spin dynamics

Atom chip

Fiber cavity

Cold atoms

Résumé

Les capteurs atomiques sont un outil de référence pour les mesures de précision du temps, des champs électriques et magnétiques et des forces d'inertie. Cependant, en absence d’une corrélation quantique entre atomes, le bruit de projection quantique constitue une limite fondamentale pour ces capteurs, appelée la limite quantique standard (SQL). Les meilleures horloges actuelles ont déjà atteint cette limite. Cependant, elle peut être surmonté en utilisant l’intrication quantique, dans un état comprimé de spin notamment. Ce dernier peut être crée par mesure quantique non-destructive (QND), en particulier dans le cadre de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED). Dans cette thèse, je présente la deuxième génération de l'horloge à atomes piégés sur puce TACC, dans laquelle nous combinons une horloge atomique compacte avec une plateforme cQED miniature pour tester les protocoles de métrologie quantique à un niveau de précision métrologique. Dans une mesure Ramsey standard, nous mesurons une stabilité de 6E-13 à 1 s. Nous démontrons la compression de spin par mesure QND, atteignant 8(1) dB pour 1.7E4 atomes, limitée actuellement par la décohérence due au bruit technique. Les collisions entre atomes froids jouent un rôle important à ce niveau de précision, donnant lieu à une riche dynamique de spin. Nous constatons que l’interaction entre mesures par la cavité et dynamique collisionnelle de spin se manifeste dans un effet d'amplification du signal de la cavité. Un modèle simple est proposé et confirmé par des mesures préliminaires. De nouvelles expériences sont proposés pour éclairer davantage la physique à N corps surprenante dans ce système d'atomes froids.

Atomic sensors are among the best devices for precision measurements of time, electric and magnetic fields, and inertial forces. However, all atomic sensors that utilise uncorrelated particles are ultimately limited by quantum projection noise, as is already the case for state-of-the-art atomic clocks. This so-called standard quantum limit (SQL) can be overcome by employing entanglement, a prime example being the spin-squeezed states. Spin squeezing can be produced in a quantum non-demolition (QND) measurement of the collective spin, particularly with cavity quantum electrodynamical (cQED) interactions. In this thesis, I present the second-generation trapped-atom clock on a chip (TACC) experiment, where we combine a metrology-grade compact clock with a miniature cQED platform to test quantum metrology protocols at a metrologically-relevant precision level. In a standard Ramsey spectroscopy, the stability of the apparatus is confirmed by a fractional frequency Allan deviation of 6E-13 at 1 s. We demonstrate spin squeezing by QND measurement, reaching 8(1) dB for 1.7E4 atoms, currently limited by decoherence due to technical noise. Cold collisions between atoms play an important role at this level of precision, leading to rich spin dynamics. Here we find that the interplay between cavity measurements and collisional spin dynamics manifests itself in a quantum amplification effect of the cavity measurement. A simple model is proposed, and is confirmed by initial measurements. New experiments in this direction may shed light on the surprising many-body physics in this sytem of interacting cold atoms.