Physique à N corps dans un réseau optique d'atomes ultrafroids excités par laser : du régime des interactions fortes à l'effet Zénon quantique dans un gaz quantique bosonique

Many-body dynamics of laser-driven ultracold atoms in optical lattices : from strong interactions to the quantum Zeno regime in a bosonic quantum gas

• Auteur / Autrice : Alexis Ghermaoui
• Direction : Fabrice Gerbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• 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 : Nicolas Dupuis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Brantut, Jérôme Beugnon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Radu Chicireanu, Guido Pupillo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problème à N corps

Interférométrie atomique

Réseaux de diffraction

Ytterbium

Condensation de Bose-Einstein

Effet Zénon quantique

Mots clés libres

Condensat de Bose-Einstein

Réseau optique

Transition d'horloge

Effet Zénon quantique

Bosons de cœurs durs

Spectroscopie Ramsey

Quantum Zeno effect

Clock transition

Optical lattice

Résumé

Dans ce manuscrit je décris les différentes études expérimentales portant sur la physique des gaz atomiques d'ytterbium dégénérés piégés dans un réseau optique et excités sur leur transition d'horloge. L'existence de cette transition étroite, propriété commune aux atomes alcalino-terreux et aux éléments ayant une structure électronique similaire, comme l'ytterbium, confère à ces atomes un degré de liberté interne sans voir apparaitre des phénomènes d'émission spontanée, ouvrant des perspectives prometteuses dans les domaines de la simulation quantique et de la métrologie. Dans le travail présenté ici, je commence par tirer avantage des propriétés de la transition horloge pour caractériser l'évolution de la cohérence de l'état interne d'atomes d'ytterbium excités sur cette transition. Ensuite, j'utilise la spectroscopie Ramsey pour étudier la dynamique de réseaux unidimensionels dans le régime des fortes interactions. Dans un second temps je présente les expériences conduites sur des paires de bosons, où le couplage sur la transition étroite est branchée adiabatiquement, conduisant à une forte suppression des pertes liées aux collisions inélastiques. Ce phénomène relève de l'effet Zénon quantique qui restreint la dynamique du système à un sous-espace de l'espace de Hilbert. Enfin je présente l'étude expérimentale de l'effet Zénon quantique dans un système à N corps soumis à de fortes interactions inélastiques, qui se manifeste par une inhibition de la dynamique de pertes atomiques.

In this manuscript I present the experimental studies of the physics of ultracold bosonic ytterbium atoms trapped in an optical lattice, driven on their clock transition. The existence of this ultranarrow transition is a feature shared by the alkaline-earth like atoms, to which belongs ytterbium. The coherent driving of this transition enables an internal degree of freedom for the atoms without spontaneous emission and is of great interest in the context of metrology and quantum simulation. Firstly I use the properties of this clock transition to characterize the coherent driving of isolated atoms. Then I use Ramsey spectroscopy to probe the dynamics taking place in unidimensional lattices in the strong interactions regime. Secondly I present experiments performed on pairs of bosons where the coupling on the ultranarrow transition is adiabatically branched, which leads to a strong suppression of the inelastic collision-induced losses. This phenomenon is a manifestation of the quantum Zeno effect that restricts the dynamics of the system to a reduced-loss subspace of the total Hilbert space. Finally I experimentally study the manifestation of the quantum Zeno effect for a many-body system, namely an unidimensional lattice in presence of strong inelastic interactions, resulting in the hindering of the atomic loss dynamics.