Manipulation of the nuclear spin states of 87 Sr in degenerate SU(N)-symmetric Fermi gases - Université Sorbonne Paris Nord Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Manipulation of the nuclear spin states of 87 Sr in degenerate SU(N)-symmetric Fermi gases

Manipulation des états de spin nucléaires du 87Sr dans des gaz de Fermi dégénérés en symétrie SU(N)

Andrea Litvinov
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1282090

Résumé

This thesis reviews our implementation of a quantum simulator for the Fermi-Hubbard model with strontium 87. Closed-shell 87 Sr with large nuclear spin I=9/2 benefits from a 7.4 kHz narrow intercombination line that played a central role in this thesis. It offers ideal conditions for the realization of spin orbit coupling schemes to coherently manipulate the 10 nuclear spin states with minimal spontaneous emission. First, we demonstrated a method to measure local densities smaller than the resolution limit of our imaging system. We overcome the limits due to aberrations and fast variations of the density profiles. Derived from the Beer-Lambert law, the non-linear correction lets us infer sizes as small as 1/4 pixel. Then, we prepare polarized Fermi seas of 87 Sr at T /TF ≃ 0.25, with a spin purification by optical pumping. The spin populations are measured with a spin orbit coupling scheme associated with the narrow line, realizing a spin dependent momentum transfer. We then demonstrate a method to coherently and selectively flip the spin states. The degeneracy of the ground state is lifted with a quadratic light shift. With a Raman adiabatic passage, the spins are flipped with 80 % efficiency that will be improved up to 95 %. Designed as an optical super lattice, this scheme will permit to write deterministic spin textures that will be the initial state for the quantum simulator. Finally, we study the loading of Fermi gases into the ground band of a 1D lattice with large sites spacing 2 µm. Our experiment highlights the critical importance of maintening a sufficient collision rate to adiabatically follow the 3D to 2D dimensionnality cross-over, and we simultaneously produce four 2D Fermi seas.
Cette thèse présente notre implémentation d’un simulateur quantique pour le modèle de Fermi- Hubbard avec des atomes de strontium 87. Le 87 Sr de grand spin nucléaire I=9/2 bénéficie d’une raie d’intercombinaison étroite de 7.4 kHz jouant un rôle central dans cette thèse. Elle offre un cadre idéal pour manipuler les 10 états de spin nucléaires par couplage spin-orbite avec une émission spontanée minimale. D’abord, nous démontrons une méthode pour mesurer des densités locales non résolues par notre système d’imagerie. Nous surpassons les limites dues aux abbérations et variations rapides du profile de densité, par une correction non-linéaire établie à partir de la loi de Beer-Lambert. Nous déduisons des tailles jusqu’à 0.25 pixel. Ensuite, nous préparons des mers de Fermi de 87 Sr polarisées à T /TF ≃ 0.25 en utilisant une purification de spin par pompage optique. Les populations de spin sont mesurées par des transferts d’impulsion sélectifs en spin grâce au couplage spin orbit. Nous démontrons de plus une méthode pour retourner les spins de manière cohérente et sélective. La dégénéréscence de l’état fondamental est levée par un déplacement lumineux quadratique. Par passage Raman adiabatique, les spins sont retournés avec une efficacité de 80 % qui sera améliorée à 95 %. Conçu comme un réseau optique, cette méthode pemettra l’écriture deterministe d’une texture de spin qui sera l’état initial du simulateur quantique. Enfin, nous étudions le chargement d’un gaz de Fermi dans la bande fondamentale d’un réseau 1D de grande période 2 µm. Nous montrons l’importance de maintenir un taux de collision suffisant pour suivre le cross-over de géométrie de 3D à 2D, et nous produisons simultanément 4 mers de Fermi 2D.
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  • HAL Id : tel-04201342 , version 1

Citer

Andrea Litvinov. Manipulation of the nuclear spin states of 87 Sr in degenerate SU(N)-symmetric Fermi gases. Quantum Physics [quant-ph]. Sorbonne Paris Nord, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04201342⟩
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