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)
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.
Domaines
Physique Quantique [quant-ph]
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