Transport d’atomes ultra-froids et couplage à des surfaces nano-structurées.

Transport and coupling of ultra-cold atoms to nano-structured surfaces.

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Gerent
• Direction : Simon Bernon, Philippe Bouyer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Atomes froids
• Jury : Président / Présidente : Philippe Tamarat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simon Bernon, Chris Westbrook, Carlos Garrido alzar, Philippe Bouyer, Naceur Gaaloul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chris Westbrook, Carlos Garrido alzar

Mots clés

Mots clés libres

Optique quantique

Nano structure

Photonique

Matière condensée

Quantum optics

Nano surface

Photonics

Condensed matter

Ultra-cold atoms

Résumé

L'entrée dans le nouveau millénaire a été marquée dans la communauté quantique par les premières réalisations expérimentales de la condensation de Bose-Einstein d'atomes dans un gaz, obtenues par différents groupes de recherche. Vingt-cinq années plus tard, de tels systèmes sont produits régulièrement et sont au cœur de nombreuses expériences. À la frontière entre la théorie de la matière condensée, l'optique quantique et la physique atomique, l'étude des atomes ultra-froids est un sujet scientifiquement très prometteur. Un gaz ultra-froid peut être piégé dans des réseaux optiques, offrant ainsi un moyen réaliste de mettre expérimentalement en place une nouvelle gamme d'Hamiltonien périodiques, utilisés pour simuler la matière condensée. Dans de telles simulations, des atomes ultra-froids imitent le comportement des électrons dans un matériau à l'état solide et pourraient être utilisés pour simuler une large gamme de phénomènes complexes en matière condensée, tels que l'effet Hall quantique fractionnaire, les isolants topologiques et la supraconductivité à température ambiante. Afin d'étudier de tels systèmes, des microscopes à gaz quantiques, limités par la diffraction, ont émergé comme un moyen de manipuler et de détecter les atomes piégés dans des potentiels périodiques. Utilisant l'interférence en champ lointain, les expériences ont principalement été limitées à des réseaux ayant des périodes proche de 500 nm, ce qui limite la vitesse de la dynamique des processus physiques étudiés. Les régimes d'énergie plus élevés pourraient être atteints en réduisant la période du réseau. Pour ce faire, l'un des objectifs à long terme de l'équipe est de piéger des atomes dans le champ proche d'une surface et d'utiliser les forces de Casimir-Polder pour façonner des potentiels sub-longueur d'onde. Grâce aux capacités de nano-fabrication, l'espacement entre les sites peut être réduit à quelques dizaines de nanomètres. Cependant, cela nécessite d'adapter les techniques d'imagerie pour observer les atomes avec des résolutions spatiales sub-longueur d'onde. Dans ce manuscrit de thèse, je rapporte dans un premier temps les avancées vers la mise en place d'une puce atomique sur l'expérience AUFRONS, qui servira de plateforme pour manipuler le gaz quantique. Je présente des simulations numériques et étudie une solution expérimentale permettant de transporter le nuage jusqu'au champ proche. La méthode est basée sur l'interférence d'un rayonnement laser dans le champ proche d'une surface en rotation. Celle-ci a été entièrement simulée et les limites ont été évaluées numériquement et expérimentalement. Je conclus cette partie en présentant le premier modèle de puce qui a été fabriqué. Dans une seconde partie, je détaille le développement d'une méthode d'imagerie sub-longueur d'onde d'atomes ultra-froids de Rubidium 87 basée sur l'habillage des états excités. J’approfondis le concept de cette méthode atteignant des résolutions spatiales nanométriques et l'applique pour résoudre la fonction d'onde de taille inférieur à 30 nm, piégée dans un site unique d'un réseau optique.

The entry into the new millennium was marked in the quantum community by the first experimental realizations of the Bose-Einstein condensation of atoms in a vapor, achieved in different research groups. Twenty-five years later, such systems are 'routinely' produced and are the core of many experiments. At the frontier between condensed matter their y, quantum optics, and atomic physics, ultra-cold atoms are subjects of high scientific interest. Ultra-cold gas can be trapped in optical lattices, giving a realistic way of experimentally realizing a new range of lattice Hamiltonians, that are used to simulate condensed matter systems. In these simulations, ultra-cold atoms are used to mimic the behavior of electrons in a solid-state material and could be used to simulate a wide range of complex condensed matter phenomena, such as the fractional quantum Hall effect, topological insulators, and high-temperature superconductivity. In order to study such systems, diffraction-limited quantum gas microscopes have emerged as a way to manipulate and detect atoms trapped in lattice potentials. Using far-field interference, experiments have mainly been restricted to a lattice spacing of 500 nm. This limits the speed of dynamics of all physical processes. Higher energy regimes could be accessed by reducing the lattice spacing. For this purpose, one of the long-term goals of the team is to trap atoms in the near-field of a surface and to make use of the Casimir-Polder forces to shape sub-wavelength potentials. Thanks to nano-fabrication capabilities, the spacing can be reduced to a few tens of nanometers. However, this requires to adapt the imaging techniques to observe cold-atoms with sub-wavelength spatial resolutions. In this PhD thesis, I report first on the advances toward implementing an atom chip in our experiment, which will serve as an integrated platform to manipulate the quantum gas. I present simulations and study an experimental solution allowing the cloud to be transported to the near-field. The method is based on the interference of a laser radiation in the near field of a rotating surface. It has been fully simulated, and the limitations have been numerically and experimentally assessed. I conclude this part by presenting the first model of chip that has been fabricated. In a second part, I report on the development of a sub-wavelength imaging method of cold Rubidium 87 atoms which is based on excited state dressing. I detail the concept of this nano-metric spatial resolution method and apply it to super-resolve a single longitudinal wave function trapped in a tight lattice that exhibits a width below 30 nm.