Émergence d’ordre pour des condensâts de Bose–Einstein spinoriels dans un résonateur multimode annulaire – EOSBECMR

Notre approche expérimentale consistait en l'injection de lumière à 1560 nm dans la cavité pour piéger les atomes, et à 780 nm pour sonder et manipuler l'ensemble atomique. Une réalisation majeure fut le développement d'un protocole efficace pour le chargement et le refroidissement des atomes de rubidium dans un piège dipolaire télécom. Cette technique innovante, utilisant le refroidissement par molasse grise et les états sombres hyperfins, a permis un refroidissement rapide et cohérent dans un piège conservatif. Surtout, elle a contourné les pertes d'atomes inhérentes aux méthodes d'évaporation classiques.

L'issue tangible de ce protocole de refroidissement a été la réalisation d'un condensat de Bose-Einstein (BEC) entièrement optique au sein d'un simulateur de microgravité. Nous avons également exploité cette technologie pour créer des séries de BECs au sein de la cavité à onde progressive. Bien que nous ayons observé des signaux initiaux de couplage atome-cavité au sein de la cavité, ces observations se limitaient à des échantillons non condensés, impactant la précision des mesures expérimentales et masquant plus spécifiquement les effets de cristallisation attendus.

Dans le domaine théorique, les résultats suivants ont été obtenus :
• Étude des textures topologiques émergentes de spin dans un condensat de Bose-Einstein à trois composantes couplé à une cavité en anneau ;
• Étude de la génération d'un champ magnétique synthétique avec un gaz de Fermi dans une cavité ;
• Étude de la nature quantique du processus de cristallisation dans une cavité en anneau ;
• Émergence d'une symétrie quasi-cristalline lors de la transition de phase superradiante ;
• Étude d'un nouveau type de gravimètre basé sur une phase supersolide dans une cavité en anneau ;
• Étude des tests de la gravité quantique avec des condensats de Bose-Einstein.

Nous mettons en lumière la réussite des étudiants qui ont contribué à ce projet : deux étudiants ayant travaillé sur l'appareil expérimental ont entrepris des postes prometteurs dans le domaine de la détection quantique, tandis que ceux ayant focalisé sur les aspects théoriques du projet progressent avec succès dans leur carrière académique.

- Nouveau protocole de chargement et de refroidissement pour les atomes de rubidium dans des pièges dipolaires télécom, reposant sur le refroidissement à molécules grises et les états sombres hyperfins. Le protocole est très efficace, adaptable à d'autres atomes et molécules, et permet un refroidissement très rapide et sans perte dans un piège conservatif (publié).
- Condensat de Bose-Einstein tout optique et réseau de condensats obtenus dans le résonateur à onde voyageante (publié).
- Première observation d'une condensation de Bose-Einstein en microgravité, en utilisant un simulateur en impesanteur effectuant 600 ms de vol parabolique (publié).
- Observation des premiers signaux de couplage atome-cavité dans le résonateur à onde voyageante, pour l'instant avec des échantillons thermiques (non condensés) (en cours d'étude).
- Réalisation d'un système de contrôle pour les expériences en physique de la matière atomique et moléculaire (AMO), intégrant des signaux numériques, analogiques et RF, permettant une synchronisation au niveau de 100 ns, et proposé en tant que projet open source via un référentiel en ligne (publié).
- Proposition d'un nouveau type de gravimètre purement quantique basé sur une phase supersolide dans une cavité à onde voyageante (publié).
- Étude de plusieurs phénomènes émergents dans différentes configurations de cavité, avec à la fois des gaz de Bose-Einstein et des gaz de Fermi, et réalisation d'une revue approfondie sur le sujet par le groupe UIBK (publiée).
- Étude des tests de la gravité quantique avec des condensats de Bose-Einstein (publiée).
- Article de revue sur le domaine de recherche couplé gaz quantique-cavité (publié).
- Étude du bruit sismique induit par les vagues océaniques et de la manière de le prédire avec plusieurs jours d'avance (brevet européen déposé).

Nous tenons également à souligner comment les deux étudiants qui ont travaillé sur l'appareil expérimental ont rapidement trouvé des postes scientifiques pour poursuivre leur carrière dans le domaine de la détection quantique (le doctorant en tant que post-doctorant à Nice - France, le post-doctorant en tant que chef de projet pour le développement de technologies clés dans le domaine de la détection quantique chez GLOphotonics, Limoges - France). Les étudiants travaillant du côté théorique du projet ont également réussi à poursuivre leur carrière en recherche.

- Phys. Rev. Lett. 122, 113603 (2019). doi: doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.113603
- Phys. Rev. Lett. 122, 190801 (2019). doi: doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.190801
- Phys. Rev. Lett., 123, 210604 (2019). doi: doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.210604
- Phys. Rev. Lett., 123, 240402 (2019). doi:https://doi.org/10.1103/physrevlett.123.240402
- New. J. Phys. 21, 013029 (2019). doi: doi.org/10.1088/1367-2630/aaf9e3
- Phys. Rev. B 100, 224306 (2019). doi: doi.org/10.1103/PhysRevB.100.224306

- Phys. Rev. Lett., 124, 033601 (2020). doi: doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.033601
- Phys. Rev. Res. 2, 013212 (2020). doi: doi.org/10.1103/physrevresearch.2.013212
- Class. Quantum Grav. 37, 225017 (2020). doi:https://doi.org/10.1088/1361-6382/aba80e
- Rev. Sci. Instrum. 91, 033203 (2020). doi:https://doi.org/10.1063/1.5129595

- Phys. Rev. Quantum 2, 010325 (2021). doi:https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010325
- Phys. Rev. Lett. 127, 013202 (2021). doi: doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.013202
- Phys. Rev. A. 103, 023302 (2021). doi: doi.org/10.1103/PhysRevA.103.023302
- Phys. Rev. Research. 3, 013173 (2021). doi: doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013173
- New J. Phys. 23, 043020 (2021). doi: doi.org/10.1088/1367-2630/abedff
- Opt. Expr. 29, 27760 (2021). doi: doi.org/10.1364/OE.433179
- Adv. In Phys. 70, 1 (2021). doi: doi.org/10.1080/00018732.2021.1969727
- Sci. Rep. 12, 19000 (2022). doi: doi.org/10.1038/s41598-022-23468-3
- Phys. Rev. Lett. 128, 070603 (2022). doi: doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.070603
- Phys. Rev. Lett.
arxiv.org/abs/2201.11693
- A. Bertoldi, S. Gaffet, M. Prevedelli, D.A. Smith, Forecasting ocean wave-induced seismic noise, doi: doi.org/10.21203/rs.3.rs-2755019/v1
- C.-H. Feng, P. Robert, P. Bouyer, B. Canuel, J. Li, S. Das, C. C. Kwong, D. Wilkowski, M. Prevedelli, and A. Bertoldi, Compact and high flux strontium atom source, arXiv:2310.00657 [physics.atom-ph]
- AVS Quantum Sci. 5, 019201 (2023). doi: doi.org/10.1116/5.0098119

Le projet "Émergence d’ordre pour des condensats de Bose–Einstein spinoriels dans un résonateur multimode annulaire" (EOSBECMR) doit permettre une avancée majeure dans le domaine de l’électrodynamique
quantique (QED) en cavité :

1) en étudiant pour la première fois la transition d’un système vers un état ordonné – telles que la cristallisation, la vitrosité ou la supersolidité – en utilisant un condensat de Bose-Einstein (BEC) couplé à une cavité à onde progressive. Les propriétés de dégénérescence et d’invariance par translation d’une cavité en anneau à onde progressive permettent d’explorer plusieurs phénomènes jusqu’à présent inaccessibles tels que la dynamique des défauts, la fusion, les excitations phononiques, la frustration d’un système et la supersolidité ;

2) grâce à une nouvelle approche pour obtenir les états magnétiques quantiques longtemps recherchés, basée sur la génération des interactions spin-spin dans un condensat médiées par des photons en cavité ;

3) en utilisant les interactions à longue porté entre différents BECs due à la cavité. Le résonateur annulaire à onde progressive peut former des réseaux de pièges dipolaires à 1, 2 ou 3 dimensions, où différents BECs indépendants peuvent être créés. L'objectif est d'obtenir une intrication massive entre les deux composants d’un seul condensat, et pour la première fois entre deux condensats indépendants. La réalisation d’un réseau de condensats intriqués sera une avancée majeure pour la mise en oeuvre des protocoles de communication quantique ;

4) en étudiant des phénomènes nouveaux, comme les phases topologiques et la supersolidité, qui émerge de la compétition entre les interaction à longue portée médiées pas le résonateur d'une part et les interactions liées aux collisions et à la statistique quantique d'autre part.

Le partenaire français étudiera ces systèmes expérimentalement en utilisant une expérience de condensats en cavité préexistante, où il a déjà obtenu des réseaux de condensats dans les modes supérieurs du résonateur. Le partenaire français caractérisera les états ordonnés issu de transitions de phase grâce à une nouvelle technique de spectroscopie G2, qui combinera de mesures à la fois sur les atomes ainsi que sur les photons transmis par la cavité. Le partenaire autrichien étudiera théoriquement les champs de jauge synthétiques et les interactions longue portée médiées par un résonateur dans un système de bosons et de fermions, dans le but de caractériser les champs de jauge dynamiques et d’identifier leur influence sur la transition de phase de Dicke et l’émergence d’ordre. La possibilité de réaliser des potentiels de jauge dynamiques en cavité pourrait ouvrir la voie vers la simulation de théories de gauge comme la chromodynamique quantique (QCD) et finalement le modèle standard des particules élémentaires en physique atomique.

Ce projet est une collaboration internationale entre le groupe expérimental en atomes froids du LP2N (PI A. Bertoldi, D. Naik, and P. Bouyer) - expert en interférométrie à ondes de matière, QED en cavité, gaz ultra-froids et mesures quantiques - et le groupe théorique de QED en cavité à Innsbruck (PI F. Mivehvar, H. Ritsch, and S. Ostermann) - pionnier des phénomènes d’ordre spontané et superradiance dans des résonateurs optiques, et leader mondial d’optomécanique et refroidissement en cavité.