Chorégraphie quantique dans un interféromètre à atomes piégés

Jeudi, 10 novembre 2016

Les capteurs quantiques, comme les gyromètres et les accéléromètres, permettent de réaliser des mesures avec des sensibilités record grâce à la manipulation de mieux en mieux maîtrisée des états quantiques d’un gaz d’atomes froids. Les architectures compactes demandent en particulier une maîtrise accrue des interactions des atomes, entre eux et avec leur environnement, qui peuvent affecter la cohérence du système. Une étude expérimentale menée au SYRTE et confrontée à un modèle théorique développé au LPS et au LPTMC, montre une compétition contre-intuitive entre l’écho de spin et l’auto-synchronisation des spins dans un interféromètre à atomes piégés.

La manipulation toujours plus aboutie de gaz d’atomes froids conduit à la réalisation de capteurs quantiques ultra-sensibles et très prometteurs. La technique de l’écho de spin, empruntée à l’imagerie par résonance magnétique nucléaire, y est très largement utilisée et permet des mesures de très haute sensibilité. Un enjeu important du domaine est de réaliser des capteurs compacts, qui peuvent être déployés sur le terrain. Pour cela, il est avantageux de piéger et guider les atomes magnétiquement ou optiquement, de façon à contrôler et limiter leurs déplacements, tout en autorisant de longues durées de mesure. Mais, dans ces systèmes où quelques dizaines de milliers d’atomes sont piégés dans des volumes très petits de 10x10x10 microns, les interactions entre atomes affectent la durée pendant laquelle il est possible d’utiliser les propriétés quantiques de l’ensemble de spins atomiques.

Les physiciens du laboratoire SYstèmes de Référence Temps-Espace (SYRTE)1 ont exploité un dispositif expérimental de capteur de forces à atomes ultra-froids pour étudier de manière quantitative un type d’interaction régi par une dynamique périodique. Ils ont mis en évidence une compétition surprenante entre l’écho de spin et la chorégraphie dictée par ces interactions atomiques.


Evolution du contraste des franges de Ramsey en fonction de la densité atomique moyenne. Les carrés rouges et disques noirs correspondent respectivement à une séquence de Ramsey utilisant ou non la méthode de l’écho de spin. Les courbes correspondent aux résultats de notre simulation numérique. Le comportement non-monotone de ces courbes suggère une compétition inattendue entre l’écho de spin et le mécanisme d’auto-synchronisation des spins. Crédits : Physical Review Letters, 117, 163003, 14 octobre 2016

La modélisation de la dynamique des atomes s’annonçait ardue mais le LPS et le LPTMC2 ont pu proposer un modèle qui permet une interprétation simple du phénomène observé.  Leur modèle montre en effet que la compétition dépend principalement du rapport entre le délai précis où l’on manipule l’état des atomes à l’aide d’une impulsion micro-onde et la période de leur chorégraphie, qui est elle-même régie par un paramètre expérimental bien maitrisé, le nombre d’atomes. Le modèle théorique et les mesures de précision menées au SYRTE s’accordent remarquablement. Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters du 14 octobre 2016.


Illustration de la compétition entre les mécanismes d’écho et d’auto-synchronisation de spin. Deux classe d’atomes froids (bleu) et chauds (rouge) sont symbolisées par leur macrospin dont on représente la trajectoire sur la sphère de Bloch. (a) Sans interactions, les deux macrospins se déphasent dû à la non-inhomogénéité du potentiel de piégeage. (b) Avec interactions, les deux macrospins précessent désormais autour d’un champ magnétique effectif qui est la somme de l’inhomogénéité et du champ moyen de spin proportionnel au spin total (longue flèche verte) et se rephasent si aucune impulsion micro-onde n’est appliquée (c). Il s’agit de l’auto-synchronisation de spin. Si une impulsion micro-onde est appliquée lorsque les deux macrospins sont hors du plan équatorial, alors le rephasage est dégradé (d). Crédits : Physical Review Letters, 117, 163003, 14 octobre 2016

Ces résultats théoriques et expérimentaux, qui illustrent l’importance du rôle des interactions dans la dynamique des capteurs atomiques compacts, ont des répercussions à la fois sur la conception de ces capteurs, mais aussi sur la physique des systèmes quantiques à N-corps, qui sont confrontés à des problèmes analogues.

Contacts scientifiques :
Cyrille Solaro, UPMC SYRTE, cyrille [dot] solaro [at] obspm [dot] fr
Franck Pereira Dos Santos, CNRS SYRTE, franck [dot] pereira [at] obspm [dot] fr, 01 40 51 23 86/24 66

 

Note(s): 

1-Systèmes de Référence Temps-Espace,  SYRTE (Observatoire de Paris/CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE))
2-Laboratoire de Physique des Solides, LPS (CNRS, Université Paris-Sud)
Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée, LPTMC (CNRS, Université Pierre et Marie Curie)

Source(s): 

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