Intrication entre Atomes de Grands Spins – EELS

Nous proposons d’étudier la propagation de corrélations quantiques dans des assemblées d’atomes de grand spin chargés dans des réseaux optiques. Notre démarche s’inscrit dans le développement de nouvelles méthodes et concepts pour appréhender les dynamiques d’intrication et de corrélations dans des systèmes impliquant de grands nombres de particules, en lien avec le développement des technologies quantiques. Notre projet répond à trois besoins essentiels : celui de méthodes expérimentales pour produire des corrélations quantiques ; celui de méthodes théoriques de modélisation de la dynamique hors équilibre de systèmes quantiques ; et celui, à la fois théorique et expérimental, de développer des mesures de ces corrélations.

Nos études porteront sur deux atomes qui diffèrent par la nature des interactions interatomiques. Dans le cas du chrome 52Cr, les interactions sont de type dipôle-dipôle, de longue portée et dépendant du spin ; dans le cas du strontium 87Sr, les interactions sont à courte portée et indépendantes de l’état de spin – on parle alors de magnétisme avec symétrie SU(N), où N est le nombre d’états de spin peuplés.

Notre approche sera de préparer un état pur et séparable de très basse entropie, en manipulant de manière cohérente le spin des atomes dans un réseau optique; puis d’étudier son évolution dynamique sous l’effet des interactions entre atomes. Dans le cas du chrome, les outils de manipulation cohérente qui seront utilisés sont très simples (champs magnétiques, gradients, et champs radio-fréquence). Dans le cas du strontium, nous utiliserons l’effet de déplacement lumineux tensoriel associé à une transition électronique étroite (1S0-3P1), qui permet de créer un champ magnétique artificiel tout en maintenant un très faible taux de dissipation. Nous proposons en particulier un schéma de super-réseau dépendant du spin, pour préparer de façon déterministe un réseau de plaquettes contenant chacune 4 atomes formant un singulet SU(4).

La dynamique sera testée en mettant en œuvre une série de protocoles expérimentaux, et grâce à des comparaisons entre les résultats expérimentaux et théoriques (obtenus à l’aide d’approche de type ondes de spin en temps réel, ainsi que par l’évolution temporelle de fonctions d’onde d’essai fortement corrélées). L’accent sera mis sur la caractérisation de l’apparition de corrélations et d’intrication du fait des interactions entre atomes. En particulier, nous proposons une analyse "bi-partite" portant sur la mesure d’une quantité globalement conservée, sur deux parties complémentaires du nuage. Ces mesures tireront partie de structures en double puits pour lesquelles une excitation de bande sélective permet d’isoler un site sur deux. Afin de prouver que les fluctuations locales des observables sont liées à la croissance de l’intrication, il est nécessaire de démontrer que l’état du système reste pur au cours de la dynamique. Pour ce faire, nous proposons pour le chrome de réaliser un écho de Loschmidt : en inversant le Hamiltonien après un certain temps, on peut tester la réversibilité de la dynamique et vérifier le caractère Hamiltonien, ou non, de l’évolution. Nous proposons aussi de mesurer le spin collectif et ses fluctuations, ainsi que le facteur de structure de spin. A basse énergie, ce dernier peut donner accès au spectre d’excitation.

Les études théoriques et expérimentales doivent enfin permettre de déterminer quel type de préparation de l’état initial peut conduire à des états de très basse énergie, proches de l’état fondamental, lorsque le système évolue ensuite librement sous l’effet des interactions. On s’intéressera alors à l’approche de ces systèmes quantiques isolés vers leur état d’équilibre. On explorera ainsi la question de l’apparition d’un ordre magnétique.