Microscopie de gaz quantiques de strontium sur des réseaux optiques

Strontium quantum gas microscopy in optical lattices

• Auteur / Autrice : Sanghyeop Lee
• Direction : Isabelle Bouchoule
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Gaz Quantiques
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'Optique

Mots clés

Mots clés libres

Condensation de Bose-Einstein

Microscopie à gaz quantiques

Réseaux optiques

Strontium

Bose-Einstein condensate

Quantum gas microscopy

Optical lattices

Strontium

Résumé

Notre compréhension de la dynamique de relaxation dans les systèmes quantiques isolés reste encore très parcellaire. Le sujet a beaucoup gagné en importance ces dernières années avec le développement de nouvelles techniques expérimentales dans le domaine des gaz atomiques quantiques qui permettent d'aborder la question par des expériences complémentaires aux études principalement théoriques menées jusqu'à présent. La technique de microscopie de fluorescence, adaptée aux gaz quantiques il y a seulement dix ans, offre une opportunité unique d'aborder ces questions de physique statistique à l'échelle de la particule unique afin d'en mieux comprendre les mécanismes microscopiques. Objectifs : Achever la construction d'une nouvelle expérience de gaz quantiques de strontium, avec en particulier la mise en place, la caractérisation et l'optimisation d'un dispositif d'imagerie par microscopie de fluorescence doté d'une résolution sub-micrométrique et d'une sensibilité à l'atome unique. Une fois l'expérience opérationnelle, elle sera utilisée pour étudier la dynamique de relaxation quantique induite en plaçant le gaz dans des états loin de l'équilibre, avec pour objectif d'en identifier les propriétés universelles ainsi que les mécanismes microscopiques à l'œuvre dans le système.

Statistical mechanics is one of the most powerful constructions of physics. It predicts that the equilibrium properties of any system composed of many particles depend only on a handful of macroscopic parameters, no matter how the particles exactly interact with each other. But the question of how many-body systems relax towards such equilibrium states remains largely unsolved. This problem is especially acute for quantum systems, which evolve in a much larger mathematical space than the classical space-time and obey non-local equations of motion. Despite the formidable complexity of quantum dynamics, recent theoretical advances have put forward a very simple picture: the dynamics of quantum many-body systems would be essentially local, meaning that it would take a finite time for correlations between two distant regions of space to reach their equilibrium value. This locality would be an emergent collective property, similar to spontaneous symmetry breaking, and have its origin in the propagation of quasiparticle excitations. The fact is, however, that only few observations directly confirm this scenario. In particular, the role played by the dimensionality and the range of the interaction potential between the particles is largely unknown. The concept of our research is to take advantage of the great versatility offered by atomic quantum gases to investigate experimentally the relaxation dynamics in regimes well beyond the boundaries of our current knowledge. We have undertaken the construction of a new-generation experiment for strontium gases. Its most remarkable feature is a fluorescence microscopy imaging system offering a sub-micron resolution and a single-atom sensitivity. This measurement tool will give direct access to n-body correlations in real-space, and thus to the microscopic mechanisms responsible for the relaxation dynamics.