Coherent dynamics, relaxation and fragmentation of a spinor Bose-Einstein condensate
Dynamique cohérente, relaxation et fragmentation d'un condensat de Bose-Einstein spinoriel
Résumé
In this thesis, we present some experiments realized with ultracold gases of sodium atoms, trapped at the intersect between two
laser beams. At very low temperature, the discretization of energy and the indistinguishability of particles, lead to a new state of
matter, a Bose-Einstein condensate. This remarkable phenomenon was initially introduced to describe an ideal gas, that is to say
with no interactions between its constituents. Here, we are interested in the efects of the interactions between the atoms. More
precisely, our atoms carry a spin 1, and we focus on the collective spin state, in a regime where the spatial degrees of freedom are
frozen.
Two important results that we present were obtained by embedding the condensate in a nearly vanishing magnetic eld. In
that regime, interactions dominate and favor the emergence of strongly correlated states. In a rst series of experiment, the magnetic
eld is suddenly decreased to bring the system out-of-equilibrium. The ensuing relaxation dynamics leads to a stationnary
state that can be well described by a Gibbs ensemble. In a second experiment, the eld is slowly reduced, in order to follow the
ground state of the system.We thereby produce a fragmented condensate, which possesses the remarkable feature of being invariant
upon spin rotations. The restoration of this symmetry, always broken by single (i.e. non-fragmented) condensates, is driven
by the pairing of atoms in singlet states.
Dans cette thèse, nous présentons des expériences réalisé avec des gaz d’atome de sodium ultrafroids, piégés à l’intersection de
deux faisceaux laser. A très basse température, discrétisation de l’énergie et indiscernabilité des particules conduisent `a un nouvel
état de la matière, un condensat de Bose-Einstein. Ce phénomène remarquable à d’abords été décrit pour un gaz idéal, c’est à dire
sans interaction entre ses constituants. Ici, nous nous intéressons aux effets des interactions entre atomes. Plus précisément, nos
atomes possèdent un spin 1, et nous nous intéressons à l’état spinoriel collectif, dans un régime ou les dégrées de liberté spatiaux
sont gelés.
Deux résultats importants que nous présentons ont été obtenus en plongeant le condensat dans un champ magnétique quasi nul.
Dans ce régime, les interactions dominent et favorisent l’émergence d’états fortement corrélés. Dans une première série
d’expériences, le champ est soudainement réduit, et le système se retrouve hors-équilibre. Il s’ensuit une dynamique de relaxation,
qui mène à un état stationnaire bien décrit par un ensemble de Gibbs. Dans une seconde expérience, le champ est progressivement
réduit, de façon à suivre l’état fondamental du système. Nous réalisons ainsi un condensat fragmenté, dont une remarquable
propriété est l’invariance sous rotations des spins. La restauration de cette symétrie, toujours brisée par les condensat “simple”
(i.e. non-fragmenté), se fait grâce à l’appariement des atomes en état singulet.
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