Soutenance de thèse de Aurélie de Paz
16 juin 2015
Laboratoire de Physique des Lasers, 99 av. J.B. Clément 93430 Villetaneuse France
Abstract:
This Thesis reports on several experimental studies of magnetic properties of a Chromium Bose-Einstein
condensate loaded into a 3D optical lattice, focusing on the e ects induced by dipolar interactions.
We show that in a 3D lattice dipolar relaxation is a resonant process due to the reduction of the density of
accessible orbital states. These resonances are observed for magnetic fields Bres such that the Zeeman energy
released matches an excitation towards higher-energy bands of the lattice. We can thus inhibit those processes by
applying a field dfferent from Bres. Analyses of the resonances allowed us to probe the lattice 3D band structure
as well as to demonstrate the effects of local interactions between atoms.
We study spin exchange dynamics in a 3D lattice. We especially observed for the first time spin exchange
between atoms localized in di erent lattice sites mediated by dipolar interactions. These studies are the first
step toward a new exploration of magnetism in lattice. Varying the depth of the lattice we study these effects in
the superfluid regime, well described by mean filed theories, as well as in the strongly correlated regime, whose
theoretical description is still challenging.
Finally, we study the evolution dynamics of two giant spins interacting through dipolar interactions. The
condensate being initially splitted in half, atoms from the two clouds are prepared in opposite spin states thus
producing two giant spins. We show that any spin dynamics is energetically inhibited for large spins
which is well accounted for by a classical theory.
Keywords: Bose Einstein Condensation, dipolar interactions, ultracold chromium atoms, optical lattices, dipolar relaxation, spin exchange, macrospin, quantum magnetism.
Dans ce mémoire nous présentons plusieurs études expérimentales des propriétés magnétiques d’un condensat
de Bose-Einstein de Chrome chargé dans un réseau 3D, en nous focalisant sur les effets associés aux interactions
dipolaires.
Nous montrons que dans un réseau 3D, la relaxation dipolaire est un processus résonant du fait de la
réduction de la densité d’états orbitaux accessibles. Les résonances sont observées à des champs magnétiques
Bres tels que l’énergie Zeeman relâchée soit égale à l’énergie nécessaire à exciter les atomes dans une bande
d’énergie supérieure du réseau. Nous pouvons inhiber ce processus en appliquant un champ diff érent de Bres.
L’analyse des résonances a permis de sonder la structure de bande 3D du réseau, ainsi que la mise en évidence
de l’effet des interactions entre atomes.
Nous avons étudié la dynamique d’échange de spin dans un réseau 3D. Nous présentons en particulier la
première observation d’échange de spin entre atomes localisés dans des sites séparés. Ces études permettent
une exploration nouvelle du magnétisme en réseau. En variant la profondeur du réseau, nous étudions ces effets
dans le régime superfluide, bien décrit par une théorie de champ moyen, et dans le régime fortement corrélé,
dont la description théorique est diffcile.
Enfin, nous étudions l’évolution de deux spins géants interagissant par interaction dipolaire. Le condensat
initialement divisé en deux, les atomes des deux nuages sont préparés dans des états de spin opposés formant
ainsi deux spins géants. Nous montrons que toute dynamique de spin est énergétiquement inhibée pour
de grands spins ce qui est bien reproduit par une théorie classique.
Mots clés : Condensation de Bose Einstein, interactions dipolaires, atomes ultra-froids de chrome, réseaux
optiques, relaxation dipolaire, échange de spin, macrospin, magnétisme quantique.