Correlations dans un gaz froid d'atomes de Rydberg – COCORYM

Combinant les propriétés des atomes froids et des atomes de Rydberg, les atomes de Rydberg froids permettent de simuler de nombreuses situations physiques, Le moment dipolaire électrique d’un atome de Rydberg peut atteindre des valeurs plusieurs milliers de fois supérieures à celle d’une molécule très polaire! L’interaction dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg permet d’intriquer des systèmes physiques à très grande distance, ouvrant de nombreuses perspectives d’application en ingénierie quantique ou en simulation quantique. Le but du projet COCORYM est de préparer, de contrôler un gaz froid d’atomes de Rydberg interagissant à de très longue distance interatomique. Un tel gaz peut en première approximation être considéré comme un gaz gelé, dont les propriétés présentent des similitudes avec un solide amorphe. Ils peuvent permettre de simuler à des échelles mésoscopiques des situations proches de celles rencontrés en physique de la matière condensée, ou des situations exotiques de la physique des plasmas ou de la chimie. Le projet COCORYM illustre différentes propriétés de cohérence d’une assemblée d’atomes de Rydberg à travers cinq objectifs ambitieux : (i) la caractérisation d’effets à un petit nombre de corps dans un gaz froid d’atomes de Rydberg; (ii) la démonstration de la superradiance pour un ensemble de paires des atomes de Rydberg intriqués; (iii) la photoassociation Rydberg pour former des macrodimères, constitués de deux atomes de Rydberg faiblement liés; (iv) la diffusion quantique ou classique de l'excitation de Rydberg; (v) l'auto-organisation d’un ensemble d’atomes de Rydberg refroidis par laser. Les trois premiers objectifs seront abordés dès le démarrage du projet, en utilisant un montage expérimental existant d’atomes de césium froids. Ces résultats constitueront des étapes importantes pour la compréhension du comportement d'un ensemble d'atomes de Rydberg en forte interaction à très longue portée. Ils ouvriront de véritables perspectives pour l’intrication d'un ensemble d'atomes, le contrôle de l’émission ou l’absorption coopératives, et une chimie ultrafroide à distance interatomique mésoscopique. Les deux derniers objectifs concernent les propriétés de corrélation et plus généralement d’effets à plusieurs corps. Ils nécessiteront le développement d'un nouveau montage expérimental, réalisé au cours des deux premières années de ce projet. Les ensembles d’atomes de Rydberg correspondent en général à des milieux désordonnés, mais ils peuvent aussi correspondre à des situations présentant un certain ordre. L'utilisation du blocage dipolaire de l'excitation de Rydberg permet de préparer un ensemble d'atomes excités corrélés. Les corrélations créées sont difficiles à caractériser. Nous avons besoin pour cela de développer une détection temporellement et spatialement résolue des atomes de Rydberg. Pour aller plus loin, nous voulons également être en mesure de manipuler par laser les atomes de Rydberg froids. L’un des buts affichés du projet sera de préparer un ensemble d’atomes de Rydberg froids en forte interaction contrôlables par laser. Cela nécessite de considérer un atome possédant deux électrons optiquement actifs; le choix s’est porté sur l’ytterbium. Ce nouveau montage sera un investissement important pour l'avenir du sujet des atomes de Rydberg froids au Laboratoire Aimé Cotton. L'ytterbium peut être refroidi par laser et la condensation Bose-Einstein peut être atteinte. Après excitation d’un électron de valence sur un état de Rydberg, le second électron peut être excité pour effectuer une détection par imagerie non destructive et pour manipuler, refroidir ou piéger les atomes de Rydberg. Une complication de l'expérience est le processus d'autoionisation des atomes de Rydberg doublement excités. Pour prévenir l'autoionisation des atomes doublement excités, nous préparerons les atomes de Rydberg dans un état de moment angulaire élevé, qui ne sont plus sujet à l’autoionisation.