Dynamique cohérente, relaxation et fragmentation d'un condensat de Bose-Einstein spinoriel

Coherent dynamics, relaxation and fragmentation of a spinor Bose-Einstein condensate

• Auteur / Autrice : Bertrand Evrard
• Direction : Fabrice Gerbier, Jean Dalibard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 18/09/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Gwendal Fève
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Gerbier, Gwendal Fève, Markus K. Oberthaler, Isabelle Bouchoule, Jean-François Roch
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Markus K. Oberthaler, Isabelle Bouchoule

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique mathématique

Mots clés libres

Atomes ultrafroids

Condensat de Bose-Einstein spinoriel

Fragmentation

Ultracold atoms

Spinor Bose-Einstein condensates

Fragmentation

Résumé

Dans cette thèse, nous présentons des expériences réalisées avec des gaz d'atome de sodium ultrafroids, piégés à l'intersection de deux faisceaux laser. À très basse température, discrétisation de l’énergie et indiscernabilité des particules conduisent à un nouvel état de la matière, un condensat de Bose-Einstein. Ce phénomène remarquable a d'abords été décrit pour un gaz idéal, c'est-à-dire sans interaction entre ses constituants. Ici, nous nous intéressons aux effets des interactions entre atomes. Plus précisément, nos atomes possèdent un spin 1, et nous nous interessont à l'état spinoriel collectif, dans un régime ou les degrées de liberté spatiaux sont gelés. Deux résultats importants que nous présentons ont été obtenus en plongeant le condensat dans un champ magnétique quasi-nul. Dans ce régime, les interactions dominent et favorisent l'émergence d'états fortement corrélés. Dans une première série d'expériences, le champ est soudainement réduit, et le système se retrouve horséquilibre. Il s'ensuit une dynamique de relaxation, qui mène à un état stationnaire bien décrit par un ensemble de Gibbs. Dans une seconde expérience, le champ est progressivement réduit, de façon à suivre l'état fondamental du système. Nous réalisons ainsi un condensat fragmenté, dont une remarquable propriété est l'invariance sous rotations des spins. La restauration de cette symétrie, toujours brisée par les condensat “simple'' (i.e. non-fragmenté), se fait grâce à l'appariement des atomes en état singulet.

In this thesis, we present some experiments realized with ultracold gases of sodium atoms, trapped at the intersect between two laser beams. At very low temperature, the discretization of energy and the indistinguishability of particles, lead to a new state of matter, a Bose-Einstein condensate. This remarkable phenomenon was initially introduced to describe an ideal gas, that is to say with no interactions between its constituents. Here, we are interested in the effects of the interactions between the atoms. More precisely, our atoms carry a spin 1, and we focus on the collective spin state, in a regime where the spatial degrees of freedom are frozen. Two important results that we present were obtained by embedding the condensate in a nearly vanishing magnetic field. In that regime, interactions dominate and favor the emergence of strongly correlated states. In a first series of experiment, the magnetic field is suddenly decreased to bring the system out-of-equilibrium. The ensuing relaxation dynamics leads to a stationnary state that can be well described by a Gibbs ensemble. In a second experiment, the field is slowly reduced, in order to follow the ground state of the system. We thereby produce a fragmented condensate, which possesses the remarkable feature of being invariant upon spin rotations. The restoration of this symmetry, always broken by single (i.e. nonfragmented) condensates, is driven by the pairing of atoms in singlet states.