Study of the spin correlations between dipolar atoms trapped in an optical lattice
Abstract:
In this manuscript we study the development of spin correlations in an ensemble of lattice trapped chromium atoms. This platform is characterized by the greater spin of its constituents S = 3 and its long range anisotropic interactions.
We report on two complementary experiments in which the growth of these correlations is tracked without relying on state tomography like techniques. These experiments build on the repeated measurements of global Zeeman populations and the estimation of these observables’ first and second statistical moments. As it turns out, these statistical moments are affected by many phenomena, some of which are of physical significance (dipolar dynamics), and some of which are mostly irrelevant (e.g. total signal fluctuations or fluorescence noise) to our experimental endeavor.
In the second chapter of this manuscript, we show how to extract the sole contribution of the quantum projection noise from our data in a most rigorous way.
In the third chapter of this manuscript, we prove – experimentally – that spin correlations do indeed develop in our system as it thermalizes through dipole dipole interactions. The results of this chapter illustrate the new possibilities offered by high spin particles S > 1/2 as far as correlations tracking is involved.
In the fourth chapter we probe at these correlations using a novel bipartition method. We show that the correlations developing in our system are more finely structured than what might, a priori, be inferred from the results of the third chapter’s experiment. The growth of these correlations is reminiscent of quantum thermalization scenarios, wherein isolated systems are predicted to thermalize through the development of entanglement.
Soutenance de thèse de Youssef Aziz Alaoui
Date: Vendredi 30 septembre 2022
Location: Laboratoire de Physique des Lasers, 99 av. J.B. Clément 93430 Villetaneuse France
Keywords:
Correlations, spins, optical lattice, dipolar interactions, thermalization.
Jury:
- Christopher Westbrook (President)
- Thierry Lahaye (Referee)
- Sylvain Nascimbène (Referee)
- Michel Brune (Examiner)
- Hélène Perrin (Examiner)
- Laurent Vernac (Co-supervisor)
- Bruno Laburthe-Tolra (Supervisor)
French version:
Études des corrélations de spin dans un système d’atomes dipolaires piégés dans un réseau optique
Dans ce manuscrit nous étudions le développement de corrélations de spin entre atomes de chrome piègés dans un réseau optique. Ce système se caractérise par le grand spin (S=3) des atomes utilisés ainsi que la grande portée et l’anisotropie des interactions interatomiques.
Dans ce manuscrit sont décrites deux expériences dans lesquelles nous observons le développement de ces corrélations de spin. Ces deux expériences sont basées sur la mesure répétée des populations Zeeman globales et l’estimation de leurs second moments statistiques. Les valeurs expérimentales de ces propriétés statistiques ne sont pas uniquement dictées par la dynamique dipolaire, et elle sont en général impactées par de nombreux autres phénomènes aléatoires (les fluctuations du signal total, la fluorescence atomique etc…).
Dans le deuxième chapitre de ce manuscrit, nous fournissons des méthodes de traitement statistique des données expérimentales qui permettent d’isoler la contribution du bruit de projection quantique.
Dans le troisième chapitre de ce manuscrit, nous donnons la preuve expérimentale de la croissance de corrélations de spin dans notre système au fur et à mesure de sa thermalisation. Les résultats de ce chapitre mettent en évidence les possibilités nouvelles associées aux grands spins en termes de suivi des corrélations.
Dans le quatrième chapitre nous décrivons la mise en œuvre d’une nouvelle méthode de bipartition qui nous a permis d’examiner plus finement la structure des corrélations se développant dans notre système et d’en démontrer la relative complexité. La croissance de ces corrélations concorde avec les scenarios de thermalisation quantique communément acceptés selon lesquels la thermalisation des systèmes isolés est induite par l’intrication des différentes sous-parties du système.