The SuperRing project

 

Presentation

The aim of this joint project between the Paris North and Grenoble groups is the study of superfluidity, angular momentum transfer and phase-slips in ring-trapped quantum gases of ultracold atoms. We will develop a quantum simulator capable of answering questions related to condensed matter phenomena, in particular to the physics of superconducting rings, used both in metrology and quantum computing. The expected outcomes of this project include the experimental demonstration of a controlled transfer of angular momentum to a quantum gas confined in an annulus and the understanding of its decay mechanisms throughout the dimensional crossover between two-dimensional (2D) and one-dimensional (1D) regimes, as well as analytic description of this dynamics. The expected results have applications in atom interferometry and will pave the way to the realization of macroscopic superpositions of current states with ultracold atoms, of major interest for quantum computation and quantum simulation.

ANR reference: ANR-15-CE30-0012

Inner surface mode of a 2D annular bosonic gas.

Outer surface mode.

Rubidium atoms in the ring trap.

 

Latest news

Mar. 2020 The Institute of Physics of CNRS published a communication about our PRL paper on a supersonic superfluid dynamical ring.

Jan. 2020 Our paper on the superfluid dynamical ring rotating at supersonic speed is published in Phys. Rev. Lett. as an Editor's Suggestion and featured in Physics!    

Nov. 2019 Our joint paper on oscillation and decay of superfluid currents published in Phys. Rev. Lett. See also our outreach communication here:

Vie et mort d'un état de circulation dans un gaz quantique annulaire Polo et al., PRL 123, 195301 (2019)

Les gaz quantiques annulaires permettent d'étudier la superfluidité et les courants permanents. Ces courants peuvent cependant s'amortir en présence d'un défaut. Mais quel est le mécanisme microscopique de cet amortissement? Notre collaboration SuperRing a répondu à cette question en étudiant la dynamique des sauts de phase, c'est-à-dire des changements du nombre quantique associé à la circulation, induits par une barrière de potentiel dans un anneau très fin. Nous avons montré que cette dynamique dépend de la force des interactions entre atomes et correspond au dual de l'effet Josephson.

Les atomes ultra froids présentent des propriétés de cohérence quantique et sont décrits par une fonction d'onde. Lorsqu'ils sont confinés dans un anneau, celle-ci est nécessairement périodique. Cela implique que la circulation d'un écoulement de ce fluide est quantifiée en unités de h/m, la constante de Planck divisée par la masse atomique. La valeur de cette circulation, encodée dans un enroulement de la phase de la fonction d'onde, est ainsi protégée par la topologie de l'anneau. Quels sont alors les mécanismes qui permettent de changer cette valeur? Dans un guide d'onde confinant le mouvement des atomes à une dimension, cela nécessite un saut de phase et donc une annulation de la fonction d'onde en un point.

Dans le cadre du projet SuperRing, nous avons effectué une étude théorique et numérique de la dynamique des états de circulation dans un anneau en présence d'une barrière. Celle-ci brise l'invariance par rotation et permet à la circulation de changer de valeur. Après avoir préparé le système dans un état quantique de circulation donnée, ils ont suivi sa dynamique pour différents régimes d'interaction. Aux faibles interactions, ils ont montré qu'un saut de phase se produit au niveau de la barrière lorsqu'un soliton s'y réfléchit. Aux fortes interactions, ils ont mis en évidence un analogue des oscillations Josephson entre deux états de circulation opposée, couplés par la barrière.

Cette étude a permis de comprendre les mécanismes microscopiques de la dissipation des états caractérisés par un nombre quantique topologique. Le système étudié est l'analogue d'un anneau supraconducteur avec une jonction Josephson. Ces travaux s'insèrent plus généralement dans le nouveau domaine de "l'atomtronique" qui tire parti de ces analogies pour le développement de nouveaux dispositifs dans lesquels l'information quantique est encodée dans les états de circulation.

Le schéma en couleurs montre la géométrie étudiée: un anneau d'atomes froids interrompu par une barrière.

Panneau en haut: évolution de la densité des particules dans l'espace-temps. La ligne grise courbée est la trajectoire d'un soliton qui s'approche et ensuite est réfléchi par la barrière (région noire horizontale).

Panneau en bas: quand le soliton rebondit contre la barrière le courant atomique diminue soudainement. Ceci est la signature qu'un saut de phase a eu lieu.

Sep. 2019 Final report of the SuperRing project.

July 2019 Check our experimental results on fast rotating annular superfluid!

June 2019 Last consortium meeting in Villetaneuse.

Mar. 2019 Our joint paper on current decay in the presence of a barrier is on arXiv.

22 Jan. 2019 ANR joint meeting in Grenoble.

Oct. 2018 Mathieu succesfully defended his PhD on the ring experiments. Congrats!

Sep. 2018 Our paper on Josephson oscillation damping has appeared in Phys. Rev. Lett.

July 2018 We contributed to a paper in the memory of Frank Hekking.

15 June 2018 ANR joint meeting in Villetaneuse.

Apr. 2018 Our paper on phase imprinting of a quantized circulation has appeared in Phys. Rev. A.

Jan. 2018 The workshop in the memory of Frank Hekking will take place in Les Houches from January 28 to January 30.

22 Jan. 2018 ANR joint meeting in Grenoble.

Dec. 2017 One of our papers selected as an Editor's suggestion by Phys. Rev. A!

14 Nov. 2017 ANR mid-term review.

Oct. 2017 We welcome a new student on the project at LPL, Yanliang Guo. Welcome Yanliang!

23 June 2017 Mid-term consortium meeting in Villetaneuse.

May 2017 We are very sad to announce that Frank Hekking, member of the Grenoble node, passed away on May 15, 2017. A page gathering contributions from many colleagues and friends can be found on the LPMMC website.

May 2017 Results on the preparation of a circulation state presented at the Atomtronics conference in Benasque.

May 2017 A new theory paper on the non-adiabatic losses from a dressed rf trap has been posted on Arxiv.

Jan. 2017 We welcome Juan Polo, who started as a post-doc in theory at LPMMC.

18 Oct. 2016 Second consortium meeting, in Grenoble at LPMMC.

Oct. 2016 We welcome Avinash Kumar, who started as a post-doc on the experiment at LPL, and Nicolas Victorin, PhD student at LPMMC.

Aug. 2016 The post-doc position in experimental physics has now been filled.

July 2016 The SuperRing consortium organizes a dedicated colloquium at the French AMO session (PAMO) of the SFO-SFP/PAMO joint 2016 congress. Download the programme here.

Apr. 2016 A post-doc position is open to work on the experiment at LPL.

April 2016 Deadline for abstract submission at the PAMO-JSM 'mini-colloque' on Quantum transport: April 1.

March 2016 The application for an ANR post-doc position in theory is closed.

15 Jan. 2016 Kick-off meeting of the SuperRing ANR project in Villetaneuse.

Sep. 2015 We welcome Mathieu de Goër de Herve, who started as a PhD on the experiment at LPL.

July 2015 Our project SuperRing, a collaboration between the BEC group in Villetaneuse and the group of Anna Minguzzi and Frank Hekking in Grenoble, has been selected by the ANR committee.