Magnétisme quantique de fermions de spin élevé – HIGHSPIN

Je propose d'étudier les effets collectifs dans des gaz fermioniques de haut spin en forte interaction, piégés dans des potentiels périodiques. L'étude du magnétisme quantique de ces particules de haut spin étendra les possibilités offertes par les gaz d'électrons de spin 1/2 ou d'atomes de spin effectif 1/2. Notre expérience sera ainsi une nouvelle plateforme pour l'étude de la physique à N corps, associant magnétisme non conventionnel et superfluidité. Nous étudierons des gaz ultrafroids fermioniques de strontium 87, de grand spin F = 9/2, chargés dans des potentiels périodiques de topologie ajustable. Des états magnétiques originaux surgiront de l'effet conjugué de la symétrie du réseau et d'une symétrie SU(N) associée à des propriétés de collision indépendantes du spin spécifiques aux alcalino-terreux. Mon objectif principal est d'explorer:
i) l'émergence de phases magnétiques exotiques, allant d'ordres non conventionels attendus par exemple pour un échantillon en réseau triangulaire présentant N = 3 états de spin peuplés, à des phases désordonnées telles que les liquides de spin chiraux pour N grand. Ces dernières présentent de fortes analogies avec les systèmes magnétiques frustrés et avec les propriétés topologiques des états de Hall quantiques, et présentent des perspectives pour la manipulation de l'information quantique.
ii) l'impact de propriétés magnétiques exotiques sur les propriétés de conduction lorsqu'il y a transport de particules, de façon analogue au « dopage » de matériaux magnétiques qui mène à l'observation de supraconducteurs à haute température.
Pour réaliser ces objectifs, nous développerons un protocole de mesure original tirant pleinement parti des propriétés spectroscopiques d'intérêt métrologique du strontium. Nous utiliserons une approche tomographique exploitant une transition étroite pour sonder le spin de chaque atome sur chaque site du réseau, avec une efficacité quantique proche de un. Cette méthode combine mesures de précisions et physique à N corps pour dépasser l'un des grands défis actuels du domaine des atomes froids : adjoindre résolution spatiale poussée au site unique et sensibilité au spin.