LPL - Laboratoire de Physique des Lasers

Gaz quantiques magnétiques (GQM)

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Gaz quantiques magnétiques - Strontium

Isam Manai, Etienne Maréchal, Johnny Huckans, Olivier Gorceix, Paolo Pedri, Laurent Vernac, Bruno Laburthe-Tolra, Martin Robert-de-Saint-Vincent
Anciens stagiaires : R. Yenney, T. Nguyen, W. Dubosclard, A. Guittonneau, N. Auvray, M. Reboud

 

Gas quantiques de grand spin manipulés sur une raie étroite

Le magnétisme quantique dans des ensembles de particules de spin élevé ouvre des perspectives supplémentaires face aux gaz d’électrons de spin 1/2 et systèmes équivalents. Par exemple, des phases aux propriétés topologiques intéressantes pour le traîtement de l'information quantique, ou encore de nouveaux mécanismes pour l’émergence de la superfluidité, sont attendus. De nombreux parallèles peuvent être tirés avec la frustration magnétique. Nous construisons une expérience manipulant du strontium 87 ultrafroid, fermionique et de grand spin F = 9/2, dans des potentiels périodiques de géométrie ajustable. Outre son grand spin, 87Sr présente des propriétés d’interactions rares : contrairement à la plupart des espèces (notamment le Chrome utilisé dans notre autre expérience), les interactions entre deux atomes ne dépendent pas de leurs projections de spin. Seul le principe de Pauli, inhibant toute interaction directe entre deux fermions identiques, résulte en une interaction magnétique effective. Nous projetons d’étudier comment intrication et ordre magnétique dépendent simultanément de la symétrie spatiale du réseau et de la symétrie SU(N) associée à l’invariance des interactions par rotation dans l’espace des N états de spin peuplés, allant du régime familier SU(2) analogue aux électrons jusqu’au régime nouveau N>4.

 

Nous avons l’ambition d’exploiter au maximum les raies étroites du strontium, si utilisées en métrologie, pour mettre en place de nouveaux protocoles de manipulation et détection. En particulier, nous développons un protocole de détection super-résolue basé sur une raie étroite, pour mesurer le spin de chaque atome sur chaque site du réseau avec une efficacité quantique proche de 1. En basant la sélectivité spatiale sur la sélectivité en énergie de la transition, nous obtiendrons une résolution inégalée adaptée à des réseaux de pas court, associés à une dynamique magnétique rapide; la résolution sera de plus tridimensionnelle, et avec sensibilité complète en spin. Enfin, la sélectivité site par site des manipulations laser à la base de ce protocole offrira un outil de préparation et de manipulation cohérente spin par spin. La sonde pourra enfin être utilisée comme un drain, local, permettant d’explorer la dynamique d’un système ouvert. Notre approche associe mesures de précision et physique à N corps, et cherche à dépasser un défi important du domaine : joindre résolution en site unique et discrimination complète de tous les états de spin.

Sonde résolue en site unique et discriminant tous les états de spin, dévolue à l’étude des corrélations magnétiques...

Sonde résolue en site unique et discriminant tous les états de spin, dévolue à l’étude des corrélations magnétiques. Nous combinons l’efficacité des détecteurs ioniques avec les résolutions en spin et en espace dérivées d’une raie étroite, en présence de champs externes inhomogènes. Ici, les atomes sur les sites du réseau sont présentés comme des disques, leur spin (mF) est représenté par leur couleur. La détection est ici réalisée exclusivement sur le site central, et seulement pour le spin mF orange.

 

Contacts

Martin Robert-de-Saint-Vincent ou Etienne Maréchal

 

Financements
CNRS
, UP13, DIM Nano’K – IFRAF, ANR, Labex FIRST-TF

 

Références

  1. A. Gorshkov et al.,
    Two-orbital SU (N) magnetism with ultracold alkaline-earth atoms,
    Nature Physics 6, 289-295 (2010).

  2. C. Wu,
    Exotic many-body physics with large-spin Fermi gases,
    Physics 3, 92 (2010).

  3. G. Barontini et al,
    Controlling the Dynamics of an Open Many-Body Quantum System with Localized Dissipation,
    Phys. Rev. Lett. 110, 035302 (2013).

  4. J. P. Brantut et al.,
    Light-shift tomography in an optical-dipole trap for neutral atoms,
    Phys. Rev. A 78, 031401 (2008).

 

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