Thermalisation et turbulence quantiques dans des systèmes en interaction dipolaire – DISQuTT

Nous proposons d'utiliser deux configurations expérimentales complémentaires de gaz ultrafroids avec des atomes de dysprosium et de chrome fortement magnétiques, afin d'explorer les lois générales qui régissent la dynamique d'un système quantique fermé interagissant à longue distance. Dans les deux cas, le système sera d'abord mis hors d'équilibre, et nous étudierons ensuite les processus intrigants qui ont lieu pendant son chemin vers l'équilibre sous l'influence des interactions dipolaires. Notre projet permettra d'étudier la thermalisation quantique sous deux angles complémentaires. Premièrement, notre expérience sur les atomes de dysprosium sera un fluide continu dans des géométries adaptées, et polarisé. Dans ce cas, la thermalisation sera étudiée dans le cadre de l’émergence de la turbulence quantique. Deuxièmement, notre expérience avec le chrome réalise un modèle de spin en réseau pour lequel la thermalisation se produit à travers l'intrication entre spins. L'étude de la thermalisation dans ces deux systèmes nous permettra d'acquérir une compréhension globale de la manière dont les systèmes en interaction à longue portée trouvent leur équilibre, et du rôle des corrélations quantiques dans la dynamique des systèmes continus et en réseau.
Cette collaboration bénéficiera tout particulièrement de fortes synergies techniques entre les deux groupes, qui réaliseront simultanément des développements similaires, en s'appuyant sur l'expertise de l'un et de l'autre. Le premier objectif sera d'améliorer la stabilité de la production des gaz quantiques, de stabiliser le champ magnétique externe, tout en installant une imagerie à haute résolution. Ces améliorations visent à surmonter des limitations associées à la mesure et au contrôle cohérent. Une deuxième série d'améliorations consistera à mettre en œuvre la manipulation d'atomes avec de la lumière désaccordée afin de modifier l'Hamiltonien du système et d'optimiser divers protocoles d'excitation.
Avec ces outils, nous serons en mesure d’étudier les aspects fondamentaux de la thermalisation quantique dans les systèmes à longue portée, en relation étroite avec l'hypothèse de « la thermalisation de l'état propre » (ETH). Un ingrédient clé sera la possibilité de modifier la géométrie du gaz - dont on sait qu'elle a un impact très important pour les systèmes interagissant à longue portée - afin d'ajuster à la fois les symétries du système et l'énergie de l'état initial. En outre, nous prévoyons de contrôler nos ondes de matière pour améliorer la caractérisation des structures locales qui apparaîtront au cours de la dynamique. Nous suivrons ensuite la croissance des corrélations quantiques. Pour cela, nous utiliserons des corrélateurs spatiaux et de quantité de mouvement du premier ordre dans l'expérience Dy. Pour l'expérience Cr, caractériserons les corrélations quantiques par des témoins d'intrication, basés sur des inégalités de type spin squeezing, ou sur le Dicke-squeezing, en fonction de l'état initial réalisé.
Une deuxième possibilité majeure que nous explorerons conjointement est d'amener les systèmes près de transitions de phase avant que le protocole d'excitation ne soit exécuté. Nous ajusterons la force des interactions par rapport au transport, soit en contrôlant le champ magnétique, soit en modifiant la mobilité des particules via la profondeur de réseau - ce qui permettra d'étudier des phases qui sont soit spatialement désordonnées (phase superfluide), soit ordonnées (isolant de Mott ou phases supersolides). Nous étudierons la thermalisation en parcourant ces diagrammes de phase séparant les systèmes ordonnés, désordonnés, intégrables ou chaotiques. Notre objectif est d’obtenir des règles générales reliant la thermalisation quantique de systèmes interagissant à longue portée au diagramme de phase sous-jacent.
Nous espérons donc que ce projet pourra faire progresser de manière significative un domaine de recherche peu exploré expérimentalement pour l'instant.