02 mai 2012
Page modifiée le vendredi 13 avril 2012
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Les phases magnétiques d'un condensat atomique d'aimantation libre

Les phases magnétiques d'un condensat atomique d'aimantation libreLes fluides quantiques présentant un degré de liberté de spin suscitent un grand intérêt  depuis plusieurs décennies, avec par exemple l’étude des phases de l’hélium 3 et les recherches de supraconductivités non-conventionnelles. Les progrès en physique des atomes ultra-froids ont ouvert un nouveau champ d’études celui des gaz dégénérés multi-composants (dits aussi spinoriels). Dans ce cadre, nous produisons au Laboratoire de Physique des Lasers (Université Paris 13/CNRS) des condensats de Bose-Einstein (BEC) formés d’atomes de chrome de spin 3. Dans ces systèmes, les interactions magnétiques dipôle-dipôle, anisotropes et à  longue portée, induisent de nouveaux effets physiques. Une série d’expériences menées sur notre dispositif concerne la thermodynamique du magnétisme quantique. Complétant l’analyse publiée en 2011 de la désaimantation spontanée à très faible champ magnétique, nous avons démontré l’abaissement de la température critique de condensation induite par la libération des degrés de liberté de spin. Nous avons aussi démontré l’existence de deux transitions de phase successives comme prédit par l’analyse théorique du système.

Nous avons étudié le comportement d’un nuage formé d’atomes de chrome à champ magnétique B très faible et à des températures T situées autour de la température critique de condensation (de 100nK à 1µK). A champ « fort » (au-dessus de 1 mG pour nos densités), le gaz peut être qualifié de ferromagnétique puisqu’à très basse température les moments tendent à s’aligner dans l’état de plus basse énergie de nombre quantique magnétique M=-3. Lorsque B est abaissé sous une valeur critique Bc de l’ordre de 0,5 mG, il se produit une dépolarisation spontanée du condensat comme le révèle l’analyse résolue en spin 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, il est plus favorable pour le système d’adopter une phase magnétique non polarisée. Le diagramme des phases magnétiques d’un gaz d’atomes de spin non nul a fait l’objet d’analyses théoriques que nous avons étendues au cas présent d’un spin égal à 3. Les interactions dipolaires entre atomes autorisent une modification spontanée de l’aimantation. Notre expérience permet de suivre la « trajectoire » du système dans son diagramme de phase lorsque sa température est abaissée (voir figure). Au-dessus de Bc et à mesure que T diminue, le système initialement formé d’un mélange  « quasi-Boltzmannien » d’états magnétiques condense dans le seul état M=-3 et le caractère majoritaire de  cet état s’amplifie jusqu’à T nulle tandis que les autres états magnétiques ne condensent jamais. Le système est alors un condensat pur d’aimantation extrême. Pour un refroidissement sous Bc, la trajectoire dans l’espace des phases est différente car le système présente deux transitions de phase : la première correspond à la condensation dans l’état -3, elle se produit à une température plus basse. La seconde transition de phase correspond à l’entrée dans une nouvelle phase pour laquelle tous les états de spin sont condensés et l’aimantation est plus faible.



Diagramme de phase du condensat atomique



Diagramme de phase du condensat atomique : Les lignes continues marquent les limites des trois phases accessibles. Les histogrammes donnent des exemples de populations relatives mesurées dans ces phases. Dans la phase A, les 7 sous-niveaux de spin sont non-dégénérés ; les populations sont données par des distributions de Bose « quasi-Boltzmanniennes ». Dans la phase B, l’état de spin M=-3 est condensé et les autres états obéissent aux lois précédentes. Dans la phase C, tous les états sont condensés. Les lignes pointillées représentent deux trajectoires dans l’espace des phases. L’une au-dessus du seuil en B montre qu’en refroidissant le système tend vers un condensat ferromagnétique. L’autre, au-dessous du seuil, montre qu’alors le système évolue vers une phase non ferromagnétique et qu’il subit deux transitions de phase. La température de la première transition est abaissée par la libération du degré de liberté de spin ; les triangles noirs sont des points expérimentaux.



Références

Thermodynamics of a Bose-Einstein Condensate with Free Magnetization, B. Pasquiou, E. Maréchal, L. Vernac, O. Gorceix et B. Laburthe-Tolra, Phys. Rev. Lett.,108, 045307, (2012).

Spontaneous Demagnetization of a Dipolar Spinor Bose gas in an Ultralow Magnetic Field, B. Pasquiou, E. Maréchal, G. Bismut, P. Pedri, L. Vernac, O. Gorceix et B. Laburthe-Tolra, Phys. Rev. Lett., 106, 255303, (2011).

Contact : Olivier Gorceix




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