Corrélations en impulsion dans des condensats de Bose-Einstein de 4He* fortement déplétés

Momentum correlations in strongly-depleted 4He* Bose-Einstein condensates

• Auteur / Autrice : Gaétan Hercé
• Direction : David Clément
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Charles Fabry / Gaz Quantiques
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Alice Sinatra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Nascimbène, Bruno Laburthe-Tolra, Nicolas Pavloff, Lauriane Chomaz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Nascimbène, Bruno Laburthe-Tolra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation quantique

Problème à N corps

Condensation de Bose-Einstein

Réseaux de diffraction

Atomes froids

Mots clés libres

Gaz quantiques

Détection d'atomes uniques

Réseau optique

Corrélations en impulsion

Condensats de Bose-Einstein fortement déplétés

Problème à N corps

Quantum gases

Single-Atom detection

Optical lattice

Momentum correlations

Strongly-Depleted Bose-Einstein condensates

Many-Body problem

Résumé

Ce manuscrit est centré sur l'étude de systèmes quantiques à N corps, des gaz quantiques d'atomes d'hélium 4 métastable, dans le régime de fortes interactions. Ce régime est atteint dans un réseau optique 3D où les atomes simulent l'hamiltonien de Bose-Hubbard. En augmentant la profondeur du réseau, le système subit une transition de phase induite par les interactions entre un superfluide et un isolant de Mott. La détection d'atomes uniques d'hélium métastable dans l'espace des impulsions nous permet de caractériser le système par le biais des corrélations en impulsion entre atomes.À impulsions proches, ces corrélations identifient les états quantiques, des superfluides et des isolants de Mott, via leur cohérence à N corps. L'extension de ces corrélations jusqu'au sixième ordre met en évidence la contribution de la déplétion aux propriétés statistiques du condensat. À impulsions opposées, les corrélations entre atomes révèlent la présence du mécanisme d'appariement de Bogoliubov au sein de la déplétion quantique de condensats de Bose-Einstein à l'équilibre et dans le régime de faibles interactions. Plusieurs signatures de l'origine quantique de ces paires d'atomes confirment cette prédiction vieille de 70 ans.L'augmentation du potentiel du réseau dans le régime superfluide nous permet d'étendre ces mesures au cas des condensats de Bose-Einstein fortement déplétés. À impulsion nulle, le régime de fortes interactions est caractérisé par des déviations plus importantes de la cohérence à N corps du condensat comparé à la prédiction pour un état cohérent. D'autre part, la suppression du signal des paires de Bogoliubov bien avant la transition de Mott reflète la non-validité de cette prédiction aux plus fortes interactions. Cela suggère également la présence de triplets d'atomes corrélés en impulsion, que nous n'avons pas encore pu observer.Dans ce manuscrit, la région critique de la transition de Mott est explorée à l'aide de mesures 3D de la densité en impulsion résolues à l'échelle de l'atome unique. Cette observable contient des signatures de la criticalité de la transition au-delà du champ moyen. La capacité à capturer la physique particulière du système près de la transition est prometteuse pour étendre les mesures de corrélation à ce régime, où des corrélations non triviales pourraient signaler que le système devient fortement corrélé.

This manuscript focuses on studying quantum many-body systems, quantum gases of metastable Helium-4 atoms, in the strongly-interacting regime. This regime is reached in a 3D optical lattice where atoms simulate the Bose-Hubbard Hamiltonian. Increasing the lattice depth, the atomic cloud undergoes an interactions-induced transition from a superfluid to a Mott insulating phase. The single-atom detection of metastable Helium atoms in momentum space allows us to characterize the many-body system through the atom momentum correlations.At close-by momenta, these correlations identify quantum states, Bose superfluids and Mott insulators, via their many-body coherence. Extending these correlations up to the sixth order highlights the depletion's contribution to the condensate's statistical properties. At opposite momenta, atom correlations reveal the presence of Bogoliubov's pairing mechanism in the quantum depletion of weakly-interacting Bose-Einstein condensates at equilibrium. Several signatures of the quantum origin of these atom pairs confirm this 70-year-long prediction.Ramping up the lattice potential in the superfluid regime allows us to extend these measurements to the case of strongly-depleted Bose-Einstein condensates. At zero momenta, the strongly-interacting regime is characterized by larger deviations from the many-body coherence of the condensate compared to the prediction for a coherent state. On the other hand, the suppression of the Bogoliubov paring signal well before the Mott transition reflects the breaking of this approximation's validity at stronger interactions. It also suggests the presence of momentum-correlated triplets of atoms, which we have yet to be able to observe.In this manuscript, the critical region of the Mott transition is explored using single-atom resolved 3D measurements of the momentum density. This observable contains signatures of the criticality of the transition beyond the mean-field level. The ability to capture the particular physics of the system near the transition holds promise for extending correlation measurements to this regime, where non-trivial correlations may signal that the system is becoming strongly correlated.