Construction d'un microscope à gaz quantiques de strontium

Building a strontium quantum gas microscope

• Auteur / Autrice : Félix Faisant
• Direction : Isabelle Bouchoule, Marc Cheneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Charles Fabry / Gaz Quantiques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : 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 : Fabienne Goldfarb
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthew Jones, Bruno Laburthe-Tolra, Marion Delehaye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthew Jones, Bruno Laburthe-Tolra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique

Problème à N corps

Strontium

Pièges optiques

Microscopie

Condensation de Bose-Einstein

Atomes froids

Mots clés libres

Atomes froids

Strontium

Condensat de Bose-Einstein

Gaz quantique

Microscope

Réseau optique

Cold atoms

Strontium

Bose-Einstein condensate

Quantum gas

Microscope

Optical lattice

Résumé

Dans cette thèse, nous décrivons les avancées réalisées sur l'expérience de microscopie de gaz quantique de strontium du Laboratoire Charles Fabry. Il s'agit d'une expérience visant à réaliser un gaz quantique sur réseau à deux dimensions et à observer ce gaz en microscopie par fluorescence et pouvant résoudre les atomes individuels du gaz. Ce gaz est décrit par le modèle de Bose-Hubbard. À terme, l'objectif est l'étude de la dynamique hors-équillibre de ce système, en particulier la propagation des corrélations dans le régime critique de la transition de Mott.Une grande partie de cette thèse est dédiée à la production du gaz quantique. Nous présentons le dispositif expérimental mis en place à cet effet : pièges magnéto-optique sur la transition large (''bleue'') et étroite (''rouge''), transport entre les deux chambres sur 30cm avec interférence entre pinces optiques croisées, réseaux optiques à 1064nm, procédure pour produire un condensat de Bose-Einstein de strontium 84, et enfin microscopie.Nous soulevons les difficultés rencontrées quant à la microscopie par fluorescence du strontium, sur la transition étroite et dans un réseau optique peu profond. Ces difficultés ont en partie pour cause la valeur de la polarisabilité différentielle du strontium à 1064nm et pour la transition étroite ¹S₀↔³P₁. Nous mesurons les composants du tenseur de polarisabilité différentielle à cette longueur d'onde et nous identifions une configuration expérimentale susceptible de conduire à une fluorescence efficace des atomes piégés dans les réseaux optiques. Nous présentons enfin les tentatives récentes de microscopie.

In this dissertation, we describe the progress made on the strontium quantum gas microscope built at the Laboratoire Charles Fabry / Institut d'Optique. This experiment is aimed at realizing a two-dimensional lattice quantum gas and observing it by fluorescence microscopy capable of resolving the individual atoms of the gas. This system is described by the Bose-Hubbard model. The goal is to study the out-of-equillibrium dynamics of this system, in particular the propagation of correlations in the quantum critical region associated with the Mott transition.A large part of this work is dedicated to the production of the quantum gas. We present the experimental setup: magneto-optical traps on the broad (“blue”) and narrow (“red”) transitions, transport between the two chambers over 30cm with crossed interfering optical tweezers, optical lattices at 1064nm, production of strontium 84 Bose-Einstein condensates, and finally microscopy.We discuss the difficulties encountered in performing fluorescence microscopy of strontium on the narrow transition and in shallow optical lattices. These difficulties are partly due to the unfavorable differential polarizability of strontium at 1064nm for the narrow ¹S₀↔³P₁ transition. We measure the differential polarizability tensor at 1064nm. We propose an experimental configuration which should enable efficient fluorescence and cooling of the trapped atoms. Finally, we report on our recent attempts at performing fluorescence microscopy in these conditions.