Soutenance de thèse de Bruno Naylor
6 décembre 2016
Laboratoire de Physique des Lasers, 99 av. J.B. Clément 93430 Villetaneuse France
Abstract:
This thesis presents experimental results performed with Quantum gases of Chromium atoms.
The specificity of Chromium resides in its large electronic spin s=3 and non negligible dipole-dipole
interaction between atoms.
We produced a new quantum gas, a Fermi sea of the 53Cr isotope. Optimization of the
co-evaporation with the 52Cr bosonic isotope leads to 103 atoms at T/TF = 0,66.
We obtained new results on thermodynamics of a spinor Bose gas. By "shock cooling" a
thermal multi-spin component gas, we nd that the condensation dynamics is a ected by spin
changing collisions. We also demonstrate a new cooling mechanism based on the spin degrees of
freedom when the Bose Einstein condensate (BEC) is in the lowest energy spin state. Dipolar
interactions thermally populate spin excited states at low magnetic eld. Puri cation of the
BEC is obtained by selectively removing these thermal atoms.
Finally, we present spin dynamics experiments. In a rst experiment, spin dynamics following
preparation of atoms in a double well trap in opposite stretch spin states allow to measure the
last unknown scattering length of 52Cr: a0 = 13 aB (with aB the Bohr radius). We then
present preliminary results performed in a 3D lattice and in the bulk, where spin excitation is
performed by a spin rotation. We investigate for different experimental configurations which of
a theory with or without quantum correlations fits best our data
Keywords: Bose-Einstein condensate, Fermi sea, dipolar interactions, thermodynamics for
magnetism, cooling, optical lattices.
Le manuscrit présente des expéeriences réalisés avec des gaz quantiques de Chrome, un
élément présentant un large spin électronique s=3 et des interactions dipolaires non négligeables.
Nous avons produit un nouveau gaz quantique, une mer de Fermi avec l'isotope 53Cr contenant jusqu'à 1000 atomes à T/TF = 0,66 +/-0.08 , en optimisant la co-évaporation avec l'isotope
bosonique.
Nous avons obtenu de nouveaux résultats sur la thermodynamique d'un condensat de Bose
Einstein (CBE) avec degré de liberté de spin. En refroidissant rapidement un gaz thermique
multi-composante, nous observons que la dynamique de condensation est affectéé par les collisions
d'échange de spin. Nous démontrons aussi un nouveau mécanisme de refroidissement, utilisant
le degré de liberté de spin, lorsque le CBE est produit dans le niveau de spin de plus basse énergie. Les interactions dipolaires peuplent thermiquement les états de spin excités à bas champ
magnétique, et une purifcation du CBE est obtenue en retirant sélectivement ces atomes.
Enfin nous présentons des expériences de dynamique de spin. Dans une première expérience,
cette dynamique est obtenue en utilisant un double puits avec des états de spin opposés. Ceci a
permis une première mesure d'une des longueurs de diffusion du 52Cr: a0 = 13
10 aB. Nous
présentons également des résultats préliminaires dans un piège harmonique et dans un réseau
3D. La dynamique de spin est produite par rotation du spin des atomes. La comparaison avec
la théorie nous permet de mettre en évidences l'apparition de corrélations quantiques.
Mots clés : Condensation de Bose Einstein, interactions dipolaires, atomes ultra-froids de chrome, réseaux
optiques, relaxation dipolaire, échange de spin, macrospin, magnétisme quantique.