Guides d'ondes à modes lents et atomes froids : vers une plateforme polyvalente d'électrodynamique quantique en guide d'onde

Slow-mode nanophotonics and cold atoms : towards a versatile Waveguide QED platform

• Auteur / Autrice : Adrien Bouscal
• Direction : Julien Laurat, Alban Urvoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• 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 : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Billy, Thomas Krauss
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alejandro González-Tudela, Simon Bernon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux photoniques

Optique quantique

Nanophotonique

Électrodynamique quantique

Atomes froids

Guides d'ondes

Mots clés libres

Nanophotonique

Atomes froids

Optique quantique

Interaction lumière-Matière

Guide d'onde

Nanophotonics

Ultracold atoms

Quantum optics

Light-Matter interaction

Waveguide

Résumé

Les récentes plateformes expérimentales qui combinent atomes froids et guides d'ondes nanométriques offrent une approche prometteuse pour atteindre un régime de couplage fort entre lumière et atomes en simple passage. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’une telle plateforme hybride permettant d’interfacer la lumière lente de guides d’ondes à cristaux photoniques avec des atomes de Rubidium froids piégés à proximité de leur surface. Les modes lents de ces guides doivent permettre une interaction lumière-matière renforcée par rapport aux systèmes existants en espace libre ou avec une nanofibre, ce qui rend cette nouvelle plateforme propice à la mise en place de protocoles d’électrodynamique quantique en guide d’onde. En portant une attention particulière à la robustesse des structures face aux imperfections de fabrication, nous proposons trois designs innovants de guides d’ondes à fort indice de réfraction permettant une interaction lumière-matière efficace ainsi que la mise en place de pièges dipolaires évanescents pour maintenir les atomes proches de leur surface. Nous décrivons ensuite le dispositif expérimental construit pour produire un nuage d’atomes froids, conçu pour intégrer de tels guides nanofabriqués et en approcher les atomes à l’aide de pinces optiques réalisées avec des modes optiques d’ordres supérieurs. Ce travail ouvre la voie à de futures plateformes d’électrodynamique quantique en guide d’onde avec des atomes froids qui pourraient constituer des ressources précieuses pour des protocoles d'optique quantique non-linéaire, la simulation quantique ou le calcul quantique variationnel.

Novel platforms interfacing trapped cold atoms and guided light in nanoscale waveguides are a promising route to achieve a regime of strong coupling between light and atoms in single pass, with applications to quantum non-linear optics and quantum simulation. This thesis focuses on the design, fabrication and implementation of such a hybrid experimental platform interfacing slow light from photonic-crystal waveguides with cold Rubidium atoms trapped in their vicinity. The slow guided modes from the waveguides should enhance the interaction between light and matter compared to free space or nanofiber-based existing platforms, making it conducive for Waveguide quantum electrodynamics (QED) protocols. Emphasizing the need for resilience against fabrication imperfections, we design three different high-index waveguides that allow for efficient light-matter interaction and evanescent dipole trapping of atoms close to their surface. Subsequently, we then detail our versatile cold atom experimental setup, specifically built for integrating these structures and delivering atoms to their surfaces using higher-order tweezers, and report initial experimental results. This work paves the way for hybrid Waveguide QED platforms with cold atoms which could serve as valuable resources for simulating Ising-like Hamiltonians or variational quantum computing.