Séparation de phase et domaines de spin dans un condensat spineur quasi-1D

Contexte scientifique : Le domaine des atomes froids est un champ de recherche en pleine expansion, dont l'activite a ete renforcee par l'observation en 1995 de la condensation de Bose-Einstein en phase gazeuse. Le succes de ce domaine tient largement au fait qu'il permet d'aborder des problemes fondamentaux de la mecanique quantique et de la physique de la matiere condensee dans des systemes tres bien caracterises experimentalement, et avec les techniques de precision de la physique atomique et de l'optique quantique. Une des directions les plus prometteuses est l'etude des systemes dits fortement correles (ou encore intriques), caracterises par des correlations entre atomes individuels inexplicables dans le cadre de la physique classique (voir les references pur des etudes theoriques sur le sujet). Au laboratoire Kastler Brossel, l'equipe “microcondensats” construit un dispositif original permettant de produire de tels etats correles et d'etudier leur robustesse vis-a-vis de la decoherence. Les di cultes experimentales pour forcer le systeme hors du regime condense sont fortement diminuees, a la condition de travailler avec un systeme tres froid et comportant un nombre d atomes relativement petit, de l ordre de la centaine. Projet de recherche et perspectives : Cette these s'inscrit dans ce projet, et vise a realiser un dispositif dedie a la production de ce “microcondensat sous la forme d un piege optique cree par un laser tres focalise, et dont la profondeur est ajustee finement afin de controler la purete du condensat et le nombre d'atomes qu'il contient. Nous nous interesserons plus particulierement aux condensats "spineurs", c'est-a-dire comportant plusieurs etats internes (trois pour notre condensat de Sodium de spin S=1). Dans le micropiege decrit ci-dessus, les atomes condensent dans l'etat fondamental vibrationnel et les correlations quantiques se manifestent sur les degres de liberte internes. Notre objectif est de mettre en evidence experimentalement des correlations non-classiques produites par les interactions entre atomes. Par ailleurs, des bosons de spin 1 presentent d'autres particularites interessantes, en particulier sous la forme de “chaines de spin” que l'on peut simuler par un reseau optique a une dimension (c'est-a-dire par une onde laser stationnaire qui piege les atomes aux ventres). Plan de la these : Le travail de these consistera dans un premier temps a poursuivre les etudes en cours afin de realiser et de caracteriser les microcondensats evoques plus haut. On s'interessera principalement au caractere spinoriel des condensats pieges optiquement et on cherchera a produire et a mettre en evidence des correlations quantiques entre di erents etats Zeeman. On s'attachera en particulier a concevoir et a mettre en œuvre des dispositifs de piegeage permettant la creation d'un reseau optique unidimensionnel. Ce travail comportera une partie optique necessaire pour obtenir des lasers focalises sur une taille proche de la limite de di raction, et pour obtenir des faisceaux de forme non-gaussienne. Le reseau a une dimension, par exemple, sera realise par une onde stationnaire dans une direction, le confinement transverse etant assure par un “tube” de lumiere (faisceau repulsif dans un mode de Laguerre-Gauss) permettant un confinement eleve et bien controle. Ce projet ambitieux necessitera par ailleurs la mise au point d'un dispositif de controle fin du champ magnetique pour eviter que les fluctuations de champ inherentes a un environnement de laboratoire ne detruisent les coherences Zeeman. Un asservissement, qui sera developpe dans le cadre de la these, sera mis en place a cette fin. Le descend volet de cette these concernera l'etude de condensats en presence d'un couplage spin-orbite. Dans le contexte des gaz quantiques, un "couplage spin-orbite" correspond a des lasers induisant des transitions Raman coherentes entre les etats Zeeman accessibles, tout en transferant de maniere coherent une impulsion bien determinee aux atomes. L'ajout d'un tel couplage enrichit considerablement le diagramme des phases accessible, avec en particulier une phase dite "stripe" qui presente simultanement une modulation spatiale "spontanee" et une coherence a longue portee. Pour observer cette phase (ce qui jusqu'a present n'a pas ete realise), il semble necessaire de supprimer les fluctuations du champ magnetique. La stabilite du champ magnetique est generalement un parametre essentiel pour le type d'experiences que nous menons. Elle a ecte en particulier les coherences quantiques de superpositions d'etats Zeeman, qui peuvent se brouiller si les decalages Zeeman ne sont pas constants dans le temps. Typiquement, les fluctuations du champ en laboratoire sont au niveau du milliGauss, ce qui implique des temps de coherence de l'ordre de la ms pour de telles superpositions. Lors d'un stage precedent,un prototype d'asservissement du champ sur un axe a ete concu et teste a une centaine de microGauss. L'objectif sera de finaliser le dispositif (en asservissant sur trois axes) et de tester le systeme sur l'experience en mesurant la coherence des superpositions d'etats Zeeman (par les methodes de Rabi ou de Ramsey). Nous prevoyons ulterieurement d'utiliser le systeme d'asservissement dans le cadre d'une collaboration avec l'equipe de Gabriele Ferrari a l'universite de Trento, ou les proprietes de condensats de Bose-Einstein avec couplage spin-orbite seront etudiees. Le stagiaire pourra etre associe activement a cette collaboration.