Towards quantum degenerate atomic Fermi mixtures - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Towards quantum degenerate atomic Fermi mixtures

Vers les mélanges quantiques dégénérés d'atomes fermioniques

Thomas Salez

Résumé

During my PhD, I participated in the full setup from scratch of an experiment that aims at cooling down and manipulating two fermionic alkaline atomic species, 6Li and 40K. Our goal is to study ultracold Fermi mixtures with mass imbalance, and to realize a flexible quantum analog simulator. In fact, for certain quantum many-body problems, such as high critical temperature superconductivity and frustrated anti-ferromagnetism, there is neither complete analytical nor numerical solution. Therefore, cold atoms systems, due to their purity and their high degree of tunability, even on their interaction itself, offer an interesting complementary point of view in the study of those phenomena. As far as the experimental setup is concerned, we built an ultra-high vacuum system, a complete and stable laser source for each species, as well as two performing atomic sources, a 6Li Zeeman slower and a 40K bidimensionnal magneto-optical trap; most of the optical and electrical quantities, as well as the imaging diagnostics, being computer controlled. Once those preliminary steps have been performed and optimized, we could obtain an efficient double magneto-optical trap, containing typically 5x10^9 atoms of 6Li and 8x10^9 atoms of 40K. In this configuration, we produced the first 6Li40K* heteronuclear molecules by photoassociation, for which we identified 70 rovibrational lines. In a second part, I describe in detail the magnetic transport of the atomic mixture, between the magneto-optical trap chamber and a science cell, located in an ultra-high vacuum region with large optical access. The complete setup, from its design to its experimental implementation and optimization, as well as the development of the program and the useful numerical diagnostics, are the heart of my work. The transport efficiency could be tested and optimized, allowing for an efficient transfer of the mixture in the science cell. Thus, after this thesis, all the experimental tools are operational in order to allow for evaporative cooling of the mixture in an optically plugged magnetic trap. Therefore, the field is open for quantum simulation and understanding of many-body problems in ultracold Fermi mixtures.
Au cours de ce travail de doctorat, j'ai participé au montage complet d'une expérience visant à refroidir et manipuler deux espèces atomiques alcalines fermioniques, 6Li et 40K. Le dispositif expérimental a pour objectifs l'étude des mélanges de fermions ultra-froids de masses différentes et la réalisation d'un simulateur analogique quantique flexible. En effet, là où certains problèmes quantiques à N corps en interaction, comme la supraconductivité à haute température critique ou l'antiferromagnétisme frustré, sont difficiles à aborder analytiquement et numériquement, les atomes froids, systèmes purs et contrôlables jusque dans leur interaction, offrent un point de vue complémentaire intéressant. Lors de la conception du dispositif expérimental, nous avons assemblé une enceinte à ultra-vide, réalisé un système laser stabilisé complet pour chaque espèce et mis en place deux sources atomiques performantes, un ralentisseur Zeeman de 6Li et un piège magnéto-optique bidimensionnel de 40K; la plupart des grandeurs optiques et électriques ainsi que les diagnostiques d'imagerie étant contrôlés par voie informatique. Ces premières étapes ont permis l'obtention d'un piège magnéto-optique à deux espèces performant, contenant typiquement 5x10^9 atomes de 6Li et 8x10^9 atomes de 40K. Dans cette configuration, nous avons produit les premières molécules hétéronucléaires de 6Li40K* par photoassociation, pour lesquelles nous avons observé et identifié 70 raies rovibrationnelles. Dans une seconde partie, je décris en détail le transport magnétique du mélange atomique entre la cellule du piège magnéto-optique et une cellule d'expérience, où règne un vide poussé et bénéficiant d'un grand accès optique. Ce dispositif complet, de sa conception à son optimisation expérimentale, en passant par son assemblage mécanique et la mise en place du programme de contrôle et des diagnostiques numériques, constitue le coeur de mon travail. Son efficacité a pu être testée et optimisée, permettant ainsi un transfert performant du mélange vers la cellule finale. Aussi, à l'issue de cette thèse, tous les outils sont opérationnels pour poursuivre le refroidissement du mélange par évaporation dans un piège magnétique, et par conséquent le champ est ouvert pour la simulation quantique et la compréhension de problèmes à N corps dans les mélanges de gaz de Fermi ultra-froids.
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Dates et versions

tel-00636899 , version 1 (28-10-2011)
tel-00636899 , version 2 (10-11-2011)
tel-00636899 , version 3 (10-01-2012)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00636899 , version 3

Citer

Thomas Salez. Towards quantum degenerate atomic Fermi mixtures. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Ecole Normale Supérieure de Paris - ENS Paris, 2011. English. ⟨NNT : 0309BRU00388⟩. ⟨tel-00636899v3⟩
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