Manipulation optique et ralentissement laser d'atomes de Rydberg circulaires du strontium

Optical coherent manipulation and laser cooling of circular Rydberg atoms of strontium

• Auteur / Autrice : Léa Lachaud
• Direction : Sébastien Gleyzes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/12/2023
• 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 opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Berroir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Gleyzes, Thierry Lahaye, Sébastien Bize, Jean-François Roch, Isabelle Bouchoule, Johannes Schachenmayer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Lahaye, Johannes Schachenmayer

Mots clés

Mots clés libres

Atomes de Rydberg

Ralentissement laser

Alcalino-terreux

Manipulation cohérente

Auto-ionisation

Simulation quantique

Rydberg atoms

Laser cooling

Alkaline-earth

Coherent manipulation

Autoionization

Quantum simulation

Résumé

Les réseaux d'atomes de Rydberg sont l'une des plateformes les plus avancées pour la simulation quantique, permettant d'émuler la dynamique de plus d'une centaine de spins 1/2. Aujourd'hui, la taille de ces simulateurs est principalement limitée par le temps de vie des atomes de Rydberg de faible moment angulaire utilisés. Notre équipe propose de développer un simulateur quantique utilisant des chaînes d’atomes de Rydberg circulaires. Pourvus d'un long temps de vie, les états de Rydberg circulaires doivent permettre de simuler des dynamiques sur des temps très longs. Malheureusement, les atomes de Rydberg circulaires alcalins sont transparents à la lumière laser, ce qui rend difficile leur manipulation avec des champs optiques. Dans notre expérience, nous préparons des états de Rydberg circulaires du strontium, élément alcalino-terreux qui possède deux électrons de valence. Nous avons tout d'abord montré qu'une fois le premier électron placé dans un état de Rydberg circulaire, le second demeure optiquement actif et peut être manipulé sans provoquer l'auto-ionisation de l'atome. Nous montrons dans un second temps que le couplage électrostatique quadrupolaire entre les deux électrons permet pour la première fois de manipuler de façon cohérente un état de Rydberg circulaire avec de la lumière laser. Nous utilisons enfin un laser contra-propageant pour ralentir les atomes lorsqu'ils sont dans l'état circulaire, ou dans une superposition d'états circulaires, et ce sans affecter la cohérence quantique de la superposition.

Rydberg atom lattices are one of the most advanced platforms for quantum simulation, enabling to emulate the dynamics of over a hundred 1/2 spins. Today, the size of simulators is limited by the lifetime of low angular momentum Rydberg states used in these experiments. Our team is proposing to develop a quantum simulator using chains of circular Rydberg atoms. With their long lifetimes, circular Rydberg states should make it possible to simulate dynamics over very long timescales. Unfortunately, alkaline circular Rydberg atoms are transparent to laser light, making them difficult to manipulate with optical fields. In our experiment, we prepare circular Rydberg states of strontium, an alkaline-earth element provided with two valence electrons. We first show that once the first electron is in a circular Rydberg state, the second remains optically active and can be manipulated without causing the atom to self-ionize. We then show that the electric quadrupole coupling between the two electrons enables a circular Rydberg state to be coherently manipulated with a laser pulse. Finally, we use a counter-propagating laser to slow down circular atoms, or superpositions of circular states while preserving their quantum coherence.