Out-of-equilibrium dynamics of spins coupled by dipolar interaction, in Bose-Einstein condensates and in optical lattices.
Abstract:
This thesis focuses mainly on the study of spin dynamics in bosonic chromium quantum gases; atoms possessing a large magnetic moment, which potentially allows for the observation of magnetic dipole-dipole interactions.
The experiments presented consist in placing the system in an out-of-equilibrium state by rotating the spins by an angle θ with respect to their initial orientation, anti-aligned with the external magnetic field. The populations in the 2s + 1 = 7 Zeeman states then evolve with time and are measured through a Stern-Gerlach procedure. The norm of the total spin of the atomic ensemble is also measured, by Ramsey interferometry.
The BEC experiments are in good agreement with mean-field simulations and show that the ferromagnetic character of the condensate is conserved, which is attributed to spin dependent contact interactions. The effects of experimental parameters on the dynamics are studied, in particular the magnetic field gradient and the initial angle θ. We observe that a spin-orbit coupling is necessary to start the dynamics. When θ ≠ π/2, this coupling can be provided through dipole-dipole interactions. On the other hand, when θ = π/2, a non-zero magnetic field gradient is necessary. In this case, the dynamics is faster and more important for larger gradients.
The experiments made in a deep lattice (Mott regime), where atoms are fixed at their lattice site, display out of mean-field effects due to dipole-dipole interactions. Furthermore, the system, despite being isolated, reaches a seemingly thermal state, phenomenon which is attributed to a process of quantum thermalization. The measurement of the norm of the total spin for these experiments shows a very different behavior compared to the BEC case, since it decreases rapidly toward a near-zero value. Unlike the population dynamics, the norm dynamics is not well reproduced by beyond mean-field simulations, which could be due, at least partially, to a heating phenomenon.
The manuscript also presents a new method for cooling and compressing the atoms in a dipolar trap using gray molasses. This method allowed us to raise the phase space density of the trapped atoms by a factor of around 340, leading to a value of around 2.3 × 10−3.
Soutenance de thèse de Lucas Gabardos
Date: Jeudi 15 octobre 2020
Location: Laboratoire de Physique des Lasers, 99 av. J.B. Clément 93430 Villetaneuse France
Keywords:
Bose-Einstein condensate, optical lattice, dipolar interactions, quantum magnetism, gray molasses.
Jury:
- Pérola Milman (President)
- David Clément (Referee)
- Franck Pereira Dos Santos (Referee)
- Frédéric Du Burk (Examiner)
- Laurent Vernac (Co-supervisor)
- Bruno Laburthe-Tolra (Supervisor)
French version:
Dynamique hors équilibre de spins couplés par interaction dipolaire en condensat
de Bose-Einstein et en réseau optique
Cette thèse porte principalement sur l’étude de dynamiques de spin effectuées dans des gaz quantiques de chrome bosonique ; atomes ayant un large moment magnétique, permettant potentiellement l’observation d’effets des interactions dipôle-dipôle magnétiques.
Les expériences présentées sont effectuées en plaçant le système dans un état hors équilibre par rotation des spins d’un angle θ par rapport à leur direction initiale, anti-alignée avec le champ magnétique externe. Les populations des 2s + 1 = 7 états Zeeman évoluent alors au cours du temps, et sont mesurées à l’aide d’une procédure de Stern-Gerlach. La norme du spin total des atomes est également mesurée, par interférométrie Ramsey.
Les expériences en condensat montrent un bon accord avec des simulations de type champ-moyen et permettent de mettre en évidence un phénomène de conservation du ferromagnétisme attribué aux interactions de contact dépendantes du spin. L’influence des paramètres expérimentaux sur la dynamique est également étudiée, notamment le gradient de champ magnétique et l’angle initial θ. On observe ainsi qu’un couplage spin-orbite est nécessaire pour initier la dynamique de population. Pour θ ≠ π/2, ce couplage peut être assuré par les interactions dipôle-dipôle. À θ = π/2 en revanche, la présence d’un gradient de champ magnétique est nécessaire. Dans ce cas, la dynamique est d’autant plus forte et rapide que le gradient est élevé.
Les expériences en réseau profond (régime de Mott), où les atomes sont fixés sur les sites du réseau, permettent de mettre en évidence des effets au-delà du champ-moyen dus aux interactions dipôle-dipôle. De plus, le système, bien qu’isolé, tend vers un état d’apparence thermique, phénomène que nous attribuons à un processus de thermalisation quantique. La mesure de la norme du spin total pour ces expériences montre un comportement très différent du cas en condensat, celle-ci diminuant rapidement vers une valeur proche de zéro. Contrairement à la dynamique de population, la dynamique de la norme du spin n’est pas parfaitement reproduite par les simulations au-delà du champ-moyen, ce qui pourrait être partiellement expliqué par un phénomène de chauffage.
Le manuscrit traite également d’une méthode de refroidissement et compression des atomes en piège optique à l’aide de mélasses grises. Cette méthode a permis d’augmenter la densité dans l’espace des phases des atomes chargés dans le piège d’un facteur environ 340, ce qui correspond à une valeur d’environ 2,3 × 10−3.