Deux études de propriétés collectives de systèmes quantiques : compression du spin nucléaire de l'Helium-3 par mesure quantique non destructive et amortissement des phonons dans un superfluide à deux dimensions

Two study of collective properties in quantum systems : nuclear spin squeezing in helium-3 via quantum non-demolition measurement and phonons damping in a 2D superfluid

• Auteur / Autrice : Alan Serafin
• Direction : Alice Sinatra, Yvan Castin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• 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-François Roch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Noël Fuchs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tommaso Roscilde, Isabelle Bouchoule

Mots clés

Mots clés contrôlés

Superfluidité

Phonons

Collisionneurs

Hélium

Spin

Théorie quantique

Mots clés libres

Helium-3

Compression de spin

Mesure quantique non destructive

Gaz 2D

Amortissement de phonons

Superfluide

Helium-3

Spin squeezing

Quantum Non demolition measurement

2D gases

Phonons damping

Superfluid

Résumé

Dans une première partie, nous étudions la possibilité d'obtenir des états comprimés de spin nucléaire dans un gaz d'hélium 3 à température ambiante en cellule par mesure quantique non destructive en continu. Comme les atomes dans l'état fondamental interagissent très peu avec l'environnement, nous les couplons à une faible fraction d'atomes dans l'état métastable par des collisions d'échange de métastabilité, ces derniers pouvant interagir avec un champ électromagnétique en cavité. Nous avons considéré deux configurations dans lesquelles on mesure un nombre de photons ou une quadrature du champ en sortie de la cavité. Nous prédisons qu'une compression significative du spin nucléaire de très longue durée de vie pourrait être ainsi obtenue avec des valeurs des paramètres à la portée d'une expérience. Dans une seconde partie, nous étudions, à température non nulle, l'amortissement des modes de phonons dans un superfluide bidimensionnel d'atomes froids bosoniques ou d'hélium 4 liquide. À cette fin, nous utilisons un hamiltonien effectif de basse énergie, celui de l'hydrodynamique quantique de Landau et Khalatnikov qui vaut même dans le régime d'interactions fortes pour peu que l'on connaisse l'équation d'état du système dans son état fondamental. Par des simulations de champ classique très précises, à notre connaissance jamais effectuées pour ce type d'hamiltonien, nous mettons en évidence des écarts significatifs à la décroissance exponentielle prédite par la règle d'or de Fermi, contrairement à ce qui se passe dans le cas tridimensionnel. Ces résultats sont confirmés par la méthode diagrammatique des fonctions de Green à N corps (dans son domaine de validité que nous précisons) et nous semblent accessibles à une vérification expérimentale.

In a first part, we study the possibility of obtaining nuclear spin squeezing in a room temperature helium-3 gas in a cell by continuous quantum non-demolition measurement. As atoms in the ground state interact very little with the environment, we couple them to a small fraction of atoms in the metastable state by metastability exchange collisions, the latter being able to interact with an electromagnetic field in an optical cavity. We have considered two configurations in which either a photon number or a quadrature of the field at the cavity output is measured. We predict that a significant very long-lived squeezing of the nuclear spin could be obtained in this way with experimentally feasible parameter values. In a second part, we study, at non-zero temperature, the damping of phonon modes in a two-dimensional superfluid of cold bosonic atoms or liquid helium-4. For this purpose, we use an effective low-energy Hamiltonian, the Landau-Khalatnikov quantum hydrodynamics Hamiltonian, which holds even in the strong interaction regime as long as the equation of state of the system in its ground state is known. By means of very precise classical field simulations, to our knowledge never carried out for this type of Hamiltonian, we highlight significant deviations from the exponential decay predicted by Fermi's golden rule, contrary to what happens in the three-dimensional case. These results are confirmed by the diagrammatic method of many-body Green's functions (in its domain of validity that we specify) and seem accessible to experimental verification.