Cohérence et relaxation d'un gaz quantique de bosons excité optiquement : expériences avec des gaz d'ytterbium ultrafroids

Coherence and relaxation of an optically-driven bosonic quantum gas : experiments with ultracold ytterbium atoms

• Auteur / Autrice : Manel Bosch Aguilera
• Direction : Fabrice Gerbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 26/09/2019
• 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 : Jean-Noël Fuchs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Clément
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Leticia Tarruell, Herwig Ott

Mots clés

Mots clés contrôlés

Horloges atomiques

Ytterbium

Décohérence quantique

Réseaux de diffraction

Condensation de Bose-Einstein

Mots clés libres

Condensat de Bose-Einstein

Réseau optique

Transition d'horloge

Emission spontanée

Décohérence

Effet Zénon quantique

Bose-Einstein Condensate

Optical lattice

Clock transition

Spontaneous emission

Decoherence

Quantum Zeno effect

Résumé

Dans ce travail de thèse, je présente une série d'études expérimentales réalisées avec des gaz d'ytterbium ultrafroids excités sur différentes transitions optiques. L'ytterbium appartient à la famille des atomes dits alcalino-terreux. Ces atomes possèdent une structure électronique riche, avec une transition d’horloge exempte d’émission spontanée et une transition étroite d'intercombinaison. Avec des expériences de spectroscopie sur la transition d'horloge dans des réseaux optiques profonds, je montre notre capacité à exciter cette transition de manière cohérente pendant de longues périodes. Ce contrôle est ensuite utilisé dans un premier temps en tant qu'outil pour mesurer les longueurs de diffusion des états impliqués dans la transition d'horloge et ensuite, pour préparer un petit système quantique ouvert, où la dissipation prend la forme de pertes à deux corps. En branchant ce couplage adiabatiquement, on observe une forte suppression de ces pertes, ce qui est interprété comme une signature de l'effet Zénon quantique. J'utilise finalement ce transfert cohérent pour étudier la dynamique de relaxation d'un condensat de Bose-Einstein. Enfin, je développe une étude sur un système ouvert avec des interactions fortes. Ici, on induit artificiellement de la dissipation sous la forme d'émission spontanée en utilisant la transition d'intercombinaison, et j'étudie comment la cohérence spatiale d'un superfluide dans un réseau optique est détruite. Ces expériences révèlent que la présence d'interactions fortes protège partiellement une cohérence résiduelle et entraîne un développement non-triviale de la décohérence, révélant ainsi l'émergence d'un canal de relaxation subdiffusif.

In this thesis I report on a series of experimental studies performed with ultracold ytterbium gases driven in different optical transitions. Ytterbium belongs to the family of the so-called alkaline-earth-like atoms, which feature a rich electronic structure, with an optical clock transition free of spontaneous emission, and a narrow intercombination transition, making them very appealing for metrological and quantum simulation proposals. By performing spectroscopy on the clock transition, I prove on a first set of experiments in deep optical lattices our ability to drive this transition coherently for long times. This coherent control is then used for different studies. First, as tool to measure the scattering lengths of the states involved in the clock transition. Then, to prepare a small open quantum system, where dissipation arises in the form of two-body losses. By enabling the coupling adiabatically, we observe a strong suppression of these losses, which is interpreted as a signature of the quantum Zeno effect. I ultimately use the coherent driving to study the relaxation dynamics of a dissipative bulk Bose-Einstein condensate. Finally, I elaborate an investigation on a strongly-interacting open system. Dissipation is artificially induced in the form of spontaneous emission using the intercombination transition. Here, I study in which manner spontaneous emission destroys the spatial coherence of a superfluid in an optical lattice. These experiments reveal that the presence of strong interactions partially protects a residual amount of coherence and makes decoherence develop in a non-trivial manner, unveiling the emergence of a subdiffusive relaxation channel.