Sensibilité accrue par effet quantique et niveaux de Landau synthétiques avec des atomes de dysprosium ultrafroids

Quantum-enhanced sensing and synthetic Landau levels with ultracold dysprosium atoms

• Auteur / Autrice : Thomas Chalopin
• Direction : Jean Dalibard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• 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 : Benoît Douçot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Nascimbène
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Champenois, Ulrich Schneider

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation quantique

Interactions photon-atome

Hall quantique, Effet

Propriétés électromagnétiques

Lanthane -- Composés

Atomes froids

Mots clés libres

Gaz ultrafroids

Dysprosium

Effet Hall quantique

Dimensions synthétiques

Détection quantique

Simulation quantique

Ultracold gases

Dysprosium

Quantum sensing

Quantum simulation

Quantum Hall effect

Synthetic dimensions

Résumé

Cette thèse porte sur des études expérimentales basées sur les interactions entre photons et atomes ultrafroids de dysprosium. La structure électronique du dysprosium est à l'origine de ses propriétés atomiques singulières, donnant accès à une phénoménologie physique diversifiée. Dans la première partie, nous donnons une description globale de notre expérience, et du protocole expérimental qui permet la production de gaz dégénérés de dysprosium bosonique. Une étape importante de notre séquence expérimentale porte sur l'utilisation de la raie d'intercombinaison à 626 nm pour le refroidissement Doppler d'atomes piégés. Nous montrons que la forte anisotropie de la polarisabilité de l'état excité est bénéfique pour le refroidissement évaporatif qui suit. Dans la deuxième partie, nous présentons des expériences qui utilisent le couplage entre les photons et le spin, inhérent à cette transition, pour manipuler les états internes des atomes et réaliser des états non-classiques de spin. Nous nous concentrons sur la réalisation d'états N00N, correspondant à la superposition d'états classiques ayant des aimantations opposées. Nous démontrons expérimentalement que la sensibilité aux champs magnétiques de ces états est proche de la limite de Heisenberg. La dernière partie est dédiée à l'effet Hall quantique, que nous étudions en encodant une dimension synthétique dans les états internes des atomes. Nous réalisons un système analogue aux niveaux de Landau à l'aide d'un couplage spin-orbite. Nous observons les propriétés du niveau de Landau fondamental : une dispersion supprimée, des états de bords chiraux, ainsi qu'une réponse de Hall caractéristique d'une topologie non-triviale.

This thesis presents several experimental studies based on light-spin interaction in ultracold gases of dysprosium. The complex electronic structure of dysprosium is at the origin of peculiar atomic properties, which can be used to explore a large variety of physical phenomena. In the first part, we give a global description of the apparatus, and of the experimental protocol that leads to the production of degenerate gases of bosonic dysprosium. A key step of our experimental sequence consists in using the intercombination line at 626 nm to perform in-trap Doppler cooling. We show in particular that the strong anisotropy of the excited state's polarizability is beneficial for the following evaporative cooling scheme. In the second part, we present experiments that use the strong light-spin coupling associated to this intercombination line to manipulate the internal states of the atoms and to realize non-classical spin states. We focus on the realization of N00N states, which are coherent superpositions of classical states with opposite magnetizations. We experimentally demonstrate that the magnetic field sensitivity of these states is close to the Heisenberg limit. The last part is dedicated to the study of quantum Hall physics, which we realize by encoding a synthetic dimension in the internal degree of freedom of the atoms. We show in particular that, using spin-orbit coupling, we realize a system that has the same structure as Landau levels. We probe paradigmatic properties of the lowest Landau level: suppressed dispersion in the bulk, chiral edge modes, cyclotron and skipping orbits, and a Hall response that is characteristic of a non-trivial topology.