Non-gaussian spin states of ultracold dysprosium atoms

États non-gaussiens de spin à partir d'atomes de dysprosium ultrafroids

• Auteur / Autrice : Alexandre Evrard
• Direction : Sylvain Nascimbène
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique atomique et moléculaire optique
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• 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 de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Mora
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Nascimbène, Christophe Mora, Monika Schleier-Smith, Chris Westbrook
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Monika Schleier-Smith, Chris Westbrook

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Dysprosium

États comprimés de spin

Gain métrologique

Distance de Hellinger

Dysprosium

Spin squeezing

Oversqueezed states

Metrological gain

Hellinger distance

Résumé

Ce manuscrit de thèse est consacré à des expériences réalisées à partir de gaz d’atomes de dysprosium ultrafroids. Cet élément possède des propriétés particulières comme un grand moment angulaire J=8 ou bien un déplacement lumineux tensoriel significatif à proximité de résonance. Le dispositif expérimental est présenté dans son ensemble, du piégeage magnéto-optique au refroidissement par évaporation. La modulation spatiale permettant de contrôler la forme d’un piège optique est détaillée, ainsi que le rôle du déplacement lumineux tensoriel dans l’étape de refroidissement Doppler dans un piège optique. La seconde partie est dédiée à l’utilisation du déplacement lumineux tensoriel dans la préparation d’états comprimés et ‘surcomprimés’ ainsi que des états chats de Schrödinger. La sensibilité magnétique de ces états est mesurée à l'aide de séquences de Ramsey et permet de calculer le gain métrologique. La fonction de Husimi est reconstruite expérimentalement à partir de mesures de population dans différentes directions, ce qui permet aussi de déterminer la pureté des différents états préparés. Les états comprimés ont une sensibilité accrue, mais les états surcomprimés montrent une forte diminution du contraste des oscillations de Ramsey. L’utilisation de la distance de Hellinger permet de quantifier la différence entre deux états proches et ainsi donner une nouvelle définition du gain métrologique. La limite de Cramér-Rao est alors atteinte et la sensibilité des états surcomprimés est supérieure à celle des états comprimés. Enfin un système de 16 spins 1/2 indistinguables en interaction est réalisé. Dans une troisième partie nous présentons la mesure de l’intrication de paire pour les états d’un spin J à l’aide de probabilités d’absorption de photons, qui n’a pas été réalisée expérimentalement. En conclusion sont présentés deux projets où des degrés de libertés externes sont ajoutés à la dynamique des degrés de liberté internes. Dans le premier cas il s’agit d’un système analogue à l’Hamiltonien de Landau pour une particule chargée dans un champ magnétique, avec une dimension d’espace et une dimension synthétique. Dans le second cas, deux dimensions d’espace sont utilisées et la présence d’un déplacement lumineux dépendant de la position réalise un champ magnétique artificiel.

This thesis manuscript presents experiments realized with ultracold atomic gases of dysprosium. This element has specific properties such as a large spin J=8 and tunable light-spin couplings originating from significant tensor light-shift contributions close to resonance. An overview of the experimental setup is given, from magneto-optical trapping to evaporative cooling. In particular we present the role of the tensor light-shift in the in-trap Doppler cooling process. Details on the use of spatial modulation to tune the shape of an optical dipole trap are also given. In the second part we describe the preparation of squeezed and ‘oversqueezed’ spin states as well as Schrödinger cat states using light-induced spin couplings. The magnetic sensitivity of these states is characterized using Ramsey spectroscopy. The Husimi function is reconstructed from population measurements along various directions, also allowing us to compute the purity of the prepared states. While squeezed states show an increased metrological gain, oversqueezed states exhibit a strong Ramsey oscillations contrast reduction. The Hellinger distance is used to extend the notion of metrological gain and the sensitivity measured in this case saturates the Cramér-Rao bound. Finally a system of 16 indistinguishable interacting spins 1/2 is realized. In the third part we present the measurement of pairwise entanglement from photon absorption measurements, which was not realized experimentally. Finally we present two projects where spatial degrees of freedom are added to the dynamics of internal levels. The first one consists in the realization of a system analogous to the Landau Hamiltonian of a charged particle in a magnetic field, with one spatial dimension and one synthetic dimension. The second project uses two spatial dimensions and exhibits an artificial magnetic field originating from positiondependent light-shifts.