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Blanc - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (Blanc SIMI 4)
Edition 2012


AGAFON


Champs de jauge artificiels pour atomes neutres

Champs de jauge artificiels pour atomes neutres
Les progrès remarquables dans la production de gaz d’atomes ultra-froids ont ouvert un nouveau champ de recherche, à l’interface entre la physique atomique et la physique de la matière condensée. Le but de ce projet a été d’étudier théoriquement et expérimentalement comment des gaz bidimensionnels d’atomes ultra-froids peuvent être utilisés pour simuler le magnétisme orbital de fluides d’électrons dans des matériaux conducteurs.

Un magnétisme orbital pour des particules neutres ?
Ce projet a été consacré à l'étude théorique et expérimentale de gaz d'atomes froids soumis à des champs magnétiques artificiels externes et/ou présentant des courants permanents.

Sur le plan théorique, nous avons d'abord dégagé les situations les plus prometteuses pour générer de telles situations et pour produire des états topologiquement non triviaux. Les voies explorées comportent aussi bien des systèmes isolés, de type « réseau de flux », que des systèmes pilotés de l’extérieur. Nous avons également pris en compte les interactions entre particules et caractérisé les états corrélés susceptibles d'apparaître, en analogie avec l'effet Hall quantique entier ou fractionnaire pour un fluide planaire d'électrons placé dans un fort champ magnétique.

Sur le plan expérimental, nous avons chercher à caractériser les gaz bi-dimensionnels d’atomes froids et à mettre en place les outils bien adaptés à l’étude de leurs propriétés magnétiques (artificielles) et des courants permanents qui leur sont liés. Nous avons favorisé des géométries de piégeage flexibles, par exemple de type « expérience de transport » ou anneau d’Aharonov-Bohm, qui permettent de transposer aux gaz d’atomes froids des méthodes de mesure développées en physique de la matière condensée.

Comment fabriquer et diagnostiquer des gaz atomiques 2D sous champ magnétique artificiel ?
De manière générale, il s'est agi de développer des outils théoriques et expérimentaux pour (i) préparer de manière optimale l'hamiltonien auquel sont soumis les atomes, éventuellement en passant par une dépendance explicite en temps, et (ii) détecter les phases de la matière ainsi produite (équation d'état, fonctions de corrélation, défauts topologiques).

Sur le plan théorique, les études des états corrélés dans le corps de l’échantillon ainsi que des états localisés sur le bord de l’échantillon ont entrainé des calculs numériques, impliquant des moyens informatiques importants. Une autre partie essentielle de l’étude est passée par une nouvelle ingénierie des réseaux optiques, à la fois dans le cadre des réseaux de flux et dans celui de réseaux à petits pas, pour lesquels les échelles d’énergie pertinentes sont augmentées et deviennent donc plus accessibles à l’expérience. Nous avons également exploré une autre méthode de manipulation de particules, apparue récemment dans le contexte des atomes froids et tirant parti d’une modulation temporelle de l’hamiltonien décrivant le mouvement des particules.

Sur le plan expérimental, un effort particulier a été porté sur la réalisation d’échantillons homogènes, confinés dans des potentiels à fond plat. Ceci permet d’éviter que les effets d’inhomogénéité spatiale ne viennent brouiller les signaux recherchés. Le contrôle en temps réel de ces « boîtes » bi-dimensionnelles a été exploré, ainsi la possibilité d’observer les atomes de manière individuelle.

Résultats

Sur le plan expérimental, le principal verrou que nous avons débloqué a été la réalisation de gaz d’atomes bidimensionnels et uniformes, analogues des gaz d’électrons donnant naissance à l’effet Hall quantique. Une fois ces gaz obtenus, nous avons réussi, grâce à une imagerie à haute résolution, à y observer des vortex similaires à ceux apparaissant dans les matériaux supraconducteurs. Sur le plan théorique, un effort particulier a été porté sur la notion de « réseau de flux » ; il s’agit de concevoir une onde lumineuse stationnaire dans laquelle les atomes se déplacent, telle que les bandes d’énergie caractérisant le mouvement atomique ont une topologie similaire à celle des niveaux de Landau pour un électron dans un champ magnétique.

Un résultat important porte sur la caractérisation théorique des états collectifs bidimensionnels susceptibles d’apparaître dans un réseau de flux. Des états emblématiques ont été identifiés pour des atomes bosoniques, en analogie avec l’effet Hall quantique fractionnaire (état de Laughlin) et l’effet Hall entier (calcul du nombre de Chern à N corps). Un autre résultat majeur est la réalisation expérimentale de gaz d’atomes 2D uniformes, puis l’étude de leur dynamique lors d’un refroidissement rapide ; nous avons ainsi pu relier nos résultats au modèle générique de Kibble-Zurek portant sur la nucléation de défauts quantiques topologiques.

Ce projet a donné lieu à 16 publications dans des revues à comité de lecture de haut niveau : 5 Physical Review Letters, 1 PNAS, 1 Nature Communications, 1 Physical Review A, 7 Physical Review B, 1 Physical Review X. Plusieurs de ces publications ont été cosignées avec des collaborateurs étrangers, notamment B.A. Bernevig (Princeton, USA), N.R. Cooper (Cambridge, UK) et N. Goldman (ULB, Belgique). Deux autres articles (au moins) sont en préparation sur des résultats obtenus lors des derniers mois du projet.

Perspectives

L’étude des gaz atomiques à deux dimensions pouvant présenter des effets de magnétisme orbital artificiel et/ou des courants permanents est un sujet en plein essor au niveau mondial. Dans le cadre de ce projet, nous nous sommes concentrés sur la compréhension et la réalisation de gaz d’atomes à deux dimensions et des mécanismes de type effet Hall qui peuvent y prendre place.

Grâce au déménagement de l’équipe expérimentale depuis les locaux de l’ENS à ceux du Collège de France, nous avons pu construire un montage expérimental optimisé, qui devrait faciliter dans le futur l’étude des états induits par ce magnétisme artificiel. Ce projet nous a permis en particulier de mettre au point un outil nouveau et extrêmement flexible pour manipuler et confiner des gaz d’atomes ultra-froids : les matrices de micro-miroirs. Le principe de leur utilisation est simple : on image sur le plan des atomes une figure donnée, qui peut ensuite être modifiée en temps réel. Nous sommes convaincus que ces matrices de micro-miroirs vont devenir dans les prochaines années un outil important pour la physique des atomes froids.

Nous avons en parallèle réalisé des progrès théoriques importants concernant l’existence et la caractérisation de nouvelles phases de la matière liées à ces champs de jauge synthétiques. L’identification expérimentale de ces nouvelle phases sera un défi majeur pour les prochaines années.

Productions scientifiques et brevets

Articles
[1] N. R. Cooper and J. Dalibard, Phys. Rev. Lett. 110, 185301 (2013)
[2] N. Goldman, J. Dalibard, A. Dauphin, F. Gerbier, M. Lewenstein, P. Zoller, I. B. Spielman , PNAS 110(17) 6736-6741 (2013).
[3] N. Regnault and T. Senthil, Phys. Rev. B 88, 161106R (2013).
[4] S.C. Davenport, E. Ardonne, N. Regnault, and S.H. Simon, Phys. Rev. B 87, 045310 (2013).
[5] N. Goldman, J. Dalibard, Phys. Rev. X 4, 031027 (2014).
[6] R. Desbuquois, T. Yefsah, L. Chomaz, C. Weitenberg, L. Corman, S. Nascimbène, J. Dalibard, Phys. Rev. Lett. 113, 020404 (2014).
[7] L. Corman, L. Chomaz, T. Bienaimé, R. Desbuquois, C. Weintenberg, S. Nascimbene, J. Dalibard, J. Beugnon, Physical Review Letters 113, 135302 (2014)
[8] C. Repellin, B. Andrei Bernevig, N. Regnault, Phys. Rev. B 90, 245401 (2014)
[9] C. Repellin, T. Neupert, Z. Papic, N. Regnault, Phys. Rev. B 90, 045114 (2014).
[10] A. Sterdyniak, B. Andrei Bernevig, N.R. Cooper, N. Regnault, Phys. Rev. B 91, 035115 (2015).
[11] Zhao Liu, R. N. Bhatt, N.Regnault, Phys. Rev. B. 91, 045126 (2015) .
[12] C. Repellin, T. Neupert, B. Andrei Bernevig, N. Regnault, Phys. Rev. B 92, 115128 (2015).
[13] N. Goldman, J. Dalibard, M. Aidelsburger, and N. R. Cooper, Phys. Rev. A 91, 033632 (2015)
[14] A. Sterdyniak, Nigel R. Cooper and N. Regnault, Phys. Rev. Lett. 115, 116802 (2015).
[15] L. Chomaz, L. Corman, T. Bienaimé, R. Desbuquois, C.Weitenberg, S. Nascimbene, J. Beugnon, J. Dalibard, Nature Communications 6, 6162 (2015)
[16] S. Nascimbene, N. Goldman, N. R. Cooper, J. Dalibard, Phys. Rev. Lett. 115, 140401 (2015)

Chapitres
F. Chevy and J. Dalibard, in K.H. Bennemann & J.B. Ketterson (éd.), Novel Superfluids, Oxford University Press, 2013, 398-428.
Z. Hadzibabic and J. Dalibard, in Jorge V José (éd.), 40 Years of Berezinskii–Kosterlitz–Thouless Theory, World Scientific, 2013, 297-324.
J. Dalibard, in Quantum Matter at Ultralow Temperatures, edited by M. Inguscio, W. Ketterle, S. Stringari and G. Roati

Partenaires

CNRS LKB CNRS Laboratoire Kastler Brossel

CNRS LPA CNRS Laboratoire Pierre Aigrain

Aide de l'ANR 250 000 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2012 - 36 mois

Résumé de soumission


Les progrès remarquables de la dernière décennie concernant la manipulation de systèmes atomiques ultra-froids ont ouvert un nouveau champ de recherche à la frontière entre l’information quantique, l’optique quantique et la physique à N corps. La précision inédite du contrôle des gaz atomiques permet de donner un nouvel éclairage sur des problèmes fondamentaux issus de la physique de la matière condensée, en tirant parti de méthodes de mesure différentes pour caractériser le système. Le but de ce projet est l'utilisation d'un gaz bi-dimensionnel (2D) d'atomes froids de rubidium pour simuler l'effet Hall quantique fractionnaire qui apparaît quand un fluide planaire d'électrons est placé dans un fort champ magnétique transverse.
Les atomes étant neutres, le magnétisme orbital à l'origine de l'effet Hall quantique doit être simulé par un mécanisme qui reproduit l'action de la force de Lorentz et la phase d'Aharonov-Bohm. Nous utiliserons pour cela un champ de jauge artificiel induit soit par une rotation du gaz, soit par une phase géométrique de type « phase de Berry ». Nous nous intéresserons à deux aspects du problème, en étudiant le cas d'échantillons « mésoscopiques » (typiquement une dizaine d'atomes) et d'échantillons plus grands (typiquement quelques dizaines de milliers d'atomes), que nous qualifierons de « macroscopiques ».
Dans le cas mésoscopique, nous partirons d'un piège que nous mettrons en rotation, pour détecter ensuite la position de chaque particule avec une très bonne résolution spatiale. Nous mènerons en parallèle un traitement numérique exact, prenant en compte la géométrie expérimentale et les effets de température finie. Nous pourrons ainsi faire une comparaison directe et exacte entre théorie et expérience, et obtenir une identification non ambiguë des états fortement corrélés ainsi produits.
Dans le second cas, nous utiliserons le concept récemment développé de « réseau de flux », c’est-à-dire une distribution lumineuse périodique fournissant un spectre de bande à une particule de même structure et même topologie que les niveaux de Landau d’une charge dans un champ magnétique. Nous explorerons le diagramme de phase de ce nouveau système en présence d’interactions entre atomes, et nous identifierons les paramètres pour lesquels des phases corrélées apparaissent. Nous développerons plusieurs moyens de détection expérimentaux, comme la recherche d’états de bord et la transposition au monde réel de l’expérience de pensée à la base de la notion d’entropie d’intrication.
A l'issue de ce projet, nous disposerons d'une caractérisation quantitative des principaux états corrélés en présence d'un fort champ magnétique, par exemple l'état de Laughlin emblématique de la physique de l'effet Hall quantique fractionnaire. La possibilité de mesurer la position individuelle des atomes du fluide nous donnera accès à des quantités complémentaires de celles obtenues en matière condensée, habituellement fondées sur le transport électronique. A plus long terme, ce projet ouvrira plusieurs perspectives fascinantes comme l'étude de statistiques anyoniques et celle de champs de jauge avec une structure plus riche, non-abéliens par exemple.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (Blanc SIMI 4) 2012

Référence projet : ANR-12-BS04-0002

Coordinateur du projet :
Monsieur Jean DALIBARD (CNRS Laboratoire Kastler Brossel)
jean.dalibard@nulllkb.ens.fr

Site internet du projet : http://www.phys.ens.fr/~dalibard/AGAFON.html

 

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