LPL - Laboratoire de Physique des Lasers

Gaz quantiques magnétiques (GQM)

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Gaz quantiques magnétiques - Chrome

Bruno Laburthe-Tolra, Laurent Vernac, Etienne Maréchal, Robert Martin de Saint Vincent, Paolo Pedri, Olivier Gorceix, Youssef Aziz Alaoui (doctorant), Lucas Gabardos (ATER), Kaci Kechadi (doctorant)

 

Présentation générale
Les atomes de chrome dans leur état fondamental ont un grand spin, et un grand moment magnétique. Ils ont de ce fait des propriétés collisionnelles remarquables, avec des interactions de Van der Waals dépendantes du spin, et des interactions dipôle-dipôle, bien plus grandes que pour des atomes alcalins. Les gaz froids d’atomes de chrome possèdent ainsi des propriétés spécifiques que nous explorons expérimentalement.

 

Résultats récents

Dynamique de spin hors d’équilibre
Lorsque les atomes sont préparés dans un état excité, les populations des états de spin peuvent changer au cours du temps. Nous avons caractérisé la dynamique après rotation de l’ensemble des spins d’un angle téta autour du champ magnétique externe, dans plusieurs configurations :

 

* dans un condensat de Bose-Einstein (BEC)
Dans un BEC de chrome, nous avons vérifié que la dynamique de spin est bien décrite par une théorie de champ moyen. En particulier nous avons observé un effet subtil prédit par cette théorie : les interactions dipolaires peuvent initier la dynamique de spin sauf pour un angle de rotation téta = pi/2. En présence d’inhomogénéités magnétiques, nous avons démontré un résultat inattendu : les interactions dépendantes du spin préservent le caractère ferromagnétique initial du BEC [1]. Ceci nous a permis de prédire et d’observer des modes de spin pour ce ferrofluide, caractérisés par une fréquence d’oscillation correspondant à l’énergie de localisation dans le piège. Pour ces modes collectifs, qui correspondent à des magnons piégés, les degrés de liberté de spin et orbitaux sont couplés, et les spins précessent autour de leur direction initiale [2].

 

Légende : lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique inhomogène, les spins tournent autour de l’axe de leur direction initiale, avec une amplitude qui dépend de leur position –(a)-. Ce comportement d’ensemble correspond à un mode collectif de spin, où les populations des états de spin – (c) – ainsi que leur séparation spatiale – (d) - oscillent au cours du temps

 

 

Légende : lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique inhomogène, les spins tournent autour de l’axe de leur direction initiale, avec une amplitude qui dépend de leur position –(a)-. Ce comportement d’ensemble correspond à un mode collectif de spin, où les populations des états de spin – (c) – ainsi que leur séparation spatiale – (d) - oscillent au cours du temps.

 

* dans un réseau optique
En chargeant un BEC dans un réseau optique profond, nous avons obtenu un état d’isolant de Mott d’une espèce dipolaire, où chaque spin est couplé à de nombreux voisins via l’interaction dipolaire. Dans ce système à N-corps l’interaction d’échange de spin conduit à une dynamique qui ne peut pas être reproduite par des théories de champ moyen, contrairement au cas du BEC. Un bon accord est par contre obtenu avec des simulations quantiques approchées, ce qui montre que des corrélations quantiques se développent, et conduisent à un état intriqué : au cours de la dynamique, l’intrication augmente, ce qui permet au système de maximiser son entropie, et d’atteindre un état stationnaire similaire à un état thermique. Ainsi notre système illustre le phénomène de thermalisation quantique, où un système isolé atteint un équilibre après développement d’intrication [3].
Nous avons aussi étudié comment le transport modifie la dynamique de spin en réduisant la profondeur du réseau optique. Nos données permettent d’identifier la séparation entre régime isolant et superfluide, pour lequel nos collaborateurs théoriciens ont pu valider qualitativement le modèle dit de Gutzwiller pour décrire notre système [4].

 

Un refroidissement laser original
Nous avons utilisé la technique de refroidissement laser dite de mélasses grises, où des atomes perdent de l’énergie en gravissant des collines de potentiel engendrées par une configuration spatiale rapidement variable de polarisation de lasers. Nous avons pu obtenir un refroidissement record avec cette technique, en parvenant à refroidir l’ensemble des degrés de libertés des atomes dans un piège [5].

 

 

Contacts

Bruno Laburthe-Tolra ou Laurent Vernac

 

Références

  1. S. Lepoutre, K. Kechadi, B. Naylor, B. Zhu, L. Gabardos, L. Isaev, P. Pedri, A. M. Rey, L. Vernac, and B. Laburthe-Tolra
    Spin mixing and protection of ferromagnetism in a spinor dipolar condensate
    Phys. Rev. A 97, 023610 (2018)

  2. S. Lepoutre, L. Gabardos, K. Kechadi, P. Pedri, O. Gorceix, E. Maréchal, L. Vernac, and B. Laburthe-Tolra
    Collective Spin Modes of a Trapped Quantum Ferrofluid
    Phys. Rev. Lett. 121, 013201 (2018)

  3. S. Lepoutre, J. Schachenmayer, L. Gabardos, B. Zhu, B. Naylor, E. Maréchal, O. Gorceix, A. M. Rey, L. Vernac and B. Laburthe-Tolra
    Out-of-equilibrium quantum magnetism and thermalization in a spin-3 many-body dipolar lattice system
    Nature Communications 10, 1714 (2019)

  4. P. Fersterer, A. Safavi-Naini, B. Zhu, L. Gabardos, S. Lepoutre, L. Vernac, B. Laburthe-Tolra, P. Blair Blakie, and Ana Maria Rey
    Dynamics of an itinerant spin-3 atomic dipolar gas in an optical lattice
    Phys. Rev. A 100, 033609 (2019)

  5. L. Gabardos, S. Lepoutre, O. Gorceix, L. Vernac, and B. Laburthe-Tolra
    Cooling all external degrees of freedom of optically trapped chromium atoms using gray molasses
    Phys. Rev. A 99, 023607 (2019)

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