Thèse présentée par Pierre Bataille pour obtenir le grade de
Docteur en Physique de l’Université Sorbonne Paris Nord
Cette thèse décrit la construction d’un simulateur quantique de l’hamiltonien d’Heisenberg SU(N). Pour cela, on charge un gaz dégénéré de 87Sr, isotope fermionique du strontium, dans un réseau optique dépendant du spin.
Dans la première partie, on détaille les étapes expérimentales qui y mènent, notamment le piège magnéto-optique en raie étroite et le refroidissement évaporatif dans un piège dipolaire croisé jusqu’à l’obtention d’une mer de Fermi de 87Sr à TTF ∼ 0.2. On verra aussi qu’une fois le gaz dégénéré chargé dans un empilement de réseaux optiques carrés 2D et indépendants, un réseau à 689 nm permet de créer un champ magnétique artificiel quasi-alterné par effet de déplacement lumineux dépendant du spin.
La suite du manuscript présente diverses méthodes expérimentales que nous avons développées autour de ce simulateur quantique. D’abord, on détaille notre méthode de spectroscopie de la raie d’intercombinaison avec une instabilité relative en fréquence de 2 × 10−12 à 1 s (avec une limite fondamentale de 2 × 10−14). Ensuite, on décrit la méthode qui nous permet de peupler, au choix, entre N = 1 et N = 10 états de spin, et celle qui nous permet de mesurer les distributions d’impulsion résolues en spin, par transfert d’impulsion à deux photons sélectif en spin. Cette dernière s’affranchit des limitations spécifiques au 87Sr, dont le très faible facteur de Landé du fondamental empêche d’utiliser les méthodes classiques telle que la séparation Stern-Gerlach. Elle est fondamentale pour étudier les états fondamentaux de l’hamiltonien d’Heisenberg. Enfin, on présente une technique d’imagerie sub-résolution qui permet d’extraire une information sur la taille de nuages sous la limite de résolution du système.
Membre du jury :
- Présidente : Saïda GUELLATI, Professeur des universités, Laboratoire Kastler-Brossel, Sorbonne Université
- Rapporteur : Denis BOIRON, Professeur des universités, Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique
- Rapporteur : Radu CHICIREANU, chargé de recherche HDR, Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules, Université de Lille
- Membre du jury : Athanasios LALIOTIS, Maître de conférences HDR, Laboratoire de Physique des Lasers, Université Paris XIII – Sorbonne Paris Nord
- Membre du jury : Etienne MARÉCHAL, Ingénieur de recherche, Laboratoire de Physique et d’Etude des matériaux, ESPCI Paris
- Directeur de thèse : Bruno LABURTHE-TOLRA, Directeur de recherche, Laboratoire de Physique des Lasers, Université Paris XIII – Sorbonne Paris Nord
- Co-directeur de thèse : Olivier GORCEIX, Professeur des universités, Laboratoire de Physique des Lasers, Université Paris XIII – Sorbonne Paris Nord
- Co-encadrant : Martin ROBERT-DE-SAINT-VINCENT, Chargé de recherche CNRS, Laboratoire de Physique des Lasers, Université Paris XIII – Sorbonne Paris Nord
Mots-clés : Simulation quantique, Gaz de Fermi, Atomes froids, Strontium, Imagerie sub-résolution, Spectroscopie en raie étroite, Magnétisme quantique, Symétrie SU(N).
Soutenance : Le 20 Décembre 2022 à 14h00