États Non-Classiques des Ondes de Matière Fermioniques pour l'Interférométrie

Non-classical States of Fermionic Matter-Waves for Interferometry

• Auteur / Autrice : Aysha Alsubaihi
• Direction : Frédéric Chevy, Luigi Luigi Amico
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure

Mots clés

Mots clés libres

États Non-Classiques

Ondes de Matière Fermioniques

Interférométrie Quantique

Non-Classical States

Fermionic Matter Waves

Quantum Interferometry

Résumé

Ce projet explore l'utilisation des états non-classiques des ondes de matière fermioniques neutres en interférométrie. Notre approche s'inspire du cadre théorique proposé par Naldesi et al. pour les solitons lumineux. Dans leur modèle, un soliton lumineux est initialement préparé dans un potentiel parabolique décalé puis relâché. Un puits de potentiel situé au minimum du piège divise le soliton, créant ainsi un état de superposition cohérente. Le soliton existe alors simultanément de part et d'autre de la barrière, produisant une figure d'interférence lors de sa recombinaison au centre du piège parabolique. Cet interféromètre présente une sensibilité quantique accrue, pouvant dépasser la limite du bruit de grenaille. Dans certaines conditions, les systèmes fermioniques composés de Np particules peuvent également exhiber un comportement solitonique. En particulier, dans le régime d'interaction attractive, les états liés solitoniques sont prédits pour contenir N composantes fermioniques différentes. Notre schéma expérimental s'inspire du cas bosonique : les états liés de fermions sont préparés dans un piège harmonique avec un puits de potentiel, libérés pour interagir avec le puits agissant comme un diviseur de faisceau pour ondes de matière, puis recombinés pour observer les figures d'interférence. Pour cela, nous nous intéressons aux aspects suivants : 1. Interaction entre la force d'attraction et l'effet de la barrière : • Analyser le rôle de la barrière comme diviseur de faisceau pour les ondes de matière. • Étudier la dynamique d'une barrière localisée dans un gaz d'atomes ultrafroids, un problème clé en physique à N corps. 2. Ionisation de l'état lié d'atomes ultrafroids : • Inspiré des solitons lumineux, nous explorerons la sensibilité améliorée malgré un partage imparfait des ondes et les fluctuations de la taille des états liés. • Nous émettons l'hypothèse que les états liés fermioniques seront plus stables que les solitons lumineux bosoniques, plus sensibles aux pertes à trois corps. 3. Dispositifs d'interférence quantique à base d'ondes de matière fermioniques (QUIDs) : • Étudier les courants fermioniques neutres dans un piège en anneau avec des jonctions faibles. • Ce système constitue un équivalent fermionique du SQUID bosonique, étudié intensément ces dernières années. Nous pensons que ce projet apportera une contribution significative à la physique fondamentale des systèmes à N corps ainsi qu'aux technologies quantiques.

This project explores the use of non-classical states of fermionic neutral matter-waves in interferometry. Our approach is inspired by the framework introduced by Naldesi et al. for bright solitons. In their model, a bright soliton is initially prepared in an offset parabolic potential and then released. A dimple potential placed at the trap's minimum splits the soliton, creating a coherent superposition state. The soliton exists simultaneously on both sides of the barrier, leading to an interference pattern when it recombines in the center of the parabolic trap. This interferometer has been shown to exhibit quantum-enhanced sensitivity that, in principle, can surpass the shot-noise limit. Under certain conditions, fermionic systems with Np total particles can also exhibit solitonic behavior. Specifically, in the attractive interaction regime, bound states are predicted to involve N different fermion components. The experimental scheme we propose parallels the bosonic case: bound states of fermions are prepared in a harmonic trap with a dimple, released to interact with the dimple acting as a matter-wave beam splitter, and later recombined to observe interference patterns. To achieve this, we aim to investigate the following key aspects: 1. Interplay between interaction strength and the barrier's effect: • Understanding how the barrier acts as a beam splitter for matter-waves. • Studying the behavior of a localized barrier in an ultracold atomic gas, an interesting problem in many-body physics. 2. Ionization of the bound state of ultracold atoms: • Inspired by bright solitons, we aim to explore enhanced sensitivity despite imperfect wave splitting and fluctuations in bound state size. • We hypothesize that fermionic bound states may be more stable than bosonic bright solitons, which suffer from three-body losses. 3. Fermionic neutral matter-wave-based Quantum Interference Devices (QUIDs): • Investigating neutral fermionic currents in a ring-shaped confinement with weak links. • This system serves as a fermionic analogue of the bosonic SQUID, extensively studied over the past decade. We believe this project will contribute to both fundamental many-body physics and quantum technologies.