31 août 2011
Page modifiée le vendredi 13 avril 2012
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Désaimantation spontanée dans un condensat de Bose-Einstein

Désaimantation spontanée dans un condensat de Bose-EinsteinLes interactions magnétiques dipôle-dipôle (IDD), anisotropes et à « longue portée », induisent de nouveaux effets physiques sur les propriétés des condensats de Bose-Einstein (BEC). Ces effets sont en général faibles, mais deviennent mesurables si le condensat de Bose-Einstein est formé d’atomes de fort moment magnétique : c’est justement le cas dans les condensats formés d’atomes de Chrome produits dans notre équipe. En effet, l’atome de chrome a un spin égal à 3 et il porte un moment magnétique élevé de 6µB; il en résulte des interactions magnétiques dipolaires 36 fois plus importantes que celles entre atomes alcalins. Des effets d’anisotropie liés aux interactions dipolaires sont alors quantifiables sur les propriétés dynamiques des gaz quantiques dégénérés formés d’atomes de chrome (Cr-BEC). Une nouvelle série d’expériences menées sur notre dispositif concerne une approche du magnétisme quantique complétant l’analyse de la dynamique de relaxation du spin atomique par la mise en évidence de modifications spontanées de l’aimantation du BEC de chrome.

Nous avons étudié le comportement à champ magnétique très faible du condensat formé d’atomes dans l’état fondamental à un corps, l’état de projection de spin m=-3. A champ fort et même modéré (au-dessus de 1 mG pour nos densités), le gaz quantique peut être qualifié de ferromagnétique puisque tous les moments sont alignés. Lorsque l’intensité du champ magnétique descend sous une valeur critique de l’ordre de 0,5 mG, il se produit une dépolarisation spontanée du condensat comme le révèle l’analyse Stern-Gerlach du gaz après sa libération du piège optique. Ceci s’explique par le fait qu’à très bas champ, l’état ferromagnétique cesse d’être l’état fondamental du système. Du fait des interactions entre atomes, dites interactions de contact dans ce régime de très basses températures, il est plus favorable du point de vue énergétique pour le système d’adopter une phase magnétique non polarisée. Le diagramme des phases magnétiques du chrome à température nulle a été prédit par des analyses théoriques menées aux universités de Stuttgart et de l’état d’Ohio. L’état fondamental du système quantique à n-corps dépend des valeurs des longueurs de diffusion dans les quatre canaux moléculaires autorisés dans le cas du chrome. Notre expérience ne permet pas d’analyser ce diagramme des phases particulièrement complexe mais elle constitue une première preuve de l’émergence spontanée d’une structure spinorielle non triviale dans un système quantique. Précisons comment le système peut subir un changement de son aimantation : les interactions de contact sont isotropes et de ce fait les collisions associées ne permettent pas de changement ni du moment cinétique global ni de l’aimantation. La phase ferromagnétique devrait donc être métastable. Le système adopte une phase magnétique dépolarisée grâce aux collisions dipôle-dipôle qui, elles, autorisent la non-conservation du moment orbital et de l’aimantation. De plus, dans le cas du chrome, les interactions dipolaires sont assez intenses pour déclencher la transition de phase avec une cinétique assez rapide à l’échelle de nos expériences. Même si nous n’avons pas pu mettre en évidence une mise en rotation ou la formation de vortex, les principes de conservation invoqués permettent d’affirmer que nous abordons une physique proche de celle de l’effet Einstein-de Haas.



Analyse du temps de vol





Fig. Analyse par temps de vol et séparation Stern-Gerlach de la composition en spin d’un condensat de chrome à très bas champ magnétique. Le BEC se dépolarise spontanément lorsque le champ est abaissé. Images d’absorption prises après application du champ B pendant 155 ms pour: a) 1mG; b) 0.5mG; c) 0.25mG; d) 0mG. Au champ le plus faible, la distribution de spin correspond à une aimantation par atome de -0.5 gS µB.

Références

Notre expérience : B. Pasquiou et al., Phys. Rev. Lett., 106, 255303, (2011).

Théorie : L. Santos and T. Pfau, Phys. Rev. Lett. 96, 190404, (2006) et R. Diener and T.-L. Ho, ibid, 96, 190405, (2006).

Contact : Olivier Gorceix




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