interactions dipolaires dans un condensat de bose-einstein

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Have left: B. Pasquiou (PhD), G. Bismut (PhD), M. Efremov , Q. Beaufils, J. C. Keller, T. Zanon, R. Barbé, A. Pouderous, R. Chicireanu Collaborator: Anne Crubellier (Laboratoire Aimé Cotton) A. de Paz (PhD), A. Chotia, A. Sharma, B. Laburthe-Tolra, E. Maréchal, L. Vernac, P. Pedri (Theory), O. Gorceix (Group leader) Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein de Chrome

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Page 1: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Have left: B. Pasquiou (PhD), G. Bismut (PhD), M. Efremov , Q. Beaufils, J. C.

Keller, T. Zanon, R. Barbé, A. Pouderous, R. Chicireanu

Collaborator: Anne Crubellier (Laboratoire Aimé Cotton)

A. de Paz (PhD), A. Chotia, A. Sharma,

B. Laburthe-Tolra, E. Maréchal, L. Vernac,

P. Pedri (Theory),

O. Gorceix (Group leader)

Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein de Chrome

Page 2: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Four à 1500 °C Ralentisseur Refroidissement évaporatif

100 nK

104 atomes

Vide 4 10-11 mbar

MOT

100 µK

106 atomes

Expérience BEC Cr52

Petits condensats (104 atomes)

Four à 1500 °C

Des lasers !

Champ magnétique

contrôlé à 100 µG

Page 3: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Interactions « de contact », longueur de diffusion, potentiel d’interaction

24( ) ( )V R a R

m

6

6( )

CV R

R

Revient à ne considérer que l’effet des interactions à des distances grandes

3 1na 24 ( )( )eff

an rV r

m

Potentiel effectif :

Le nuage gonfle pour réduire son énergie

Cs BEC with tunable

interactions

(from Innsbruck))

a ~ 200 a0

a ~ 0 a0

Comportement

hydrodynamique

Page 4: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Petits solitons

Condensat stable

Spectre d’excitation phononique

Interactions attractives

Effet des interactions sur les condensats

Interactions répulsives

Effondrement du condensat

pour un grand nombre

d’atomes

Superfluidité

Interactions dépendant du spin

Magnétisme

Rice… ENS, JILA…

Berkeley

Page 5: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.50.40.30.20.10.0

-2.0

-1.5

temps (ms)m

agn

étizatio

n

Fra

cti

on

dans

m=

-2

1

2, 2 3, 1 1, 32

cf : Chapman, Sengstock,

Klempt, Stamper-Kurn, Lett…

Transitions de phase quantiques

Oscillations de spin

2, 2

6 56, 4 4, 4

11 11

S S

tot tot

m m

S m S m

Magnétisme… à magnétisation constante !

-3

-2 -1

2

6 4

4cB B n a a

m

G

(interactions centrales)

Page 6: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Gaz quantique avec interactions de contact

BEC polarisé (« scalaire »)

Hydrodynamique

excitations collectives, son, superfluidité…

Interactions dipôle-dipôle

22 20

3

11 3cos ( )

4dd J BV S g

R

Anisotrope

Longue portée

R

Hydrodynamique :

Présence d’un champ non-local

Magnétisme :

Les atomes sont de petits aimants

Chrome (S=3): présence d’interactions dipôle-dipôle

BEC à plusieurs composantes («spinor»)

Magnétisme

Phases, textures de spin…

Page 7: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

1 - Hydrodynamique :

Présence d’un champ non-local dû à l’interaction dipolaire

Page 8: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

22

20

18

16

14

86420

20

15

temps (ms)

Ray

on

(O

x)R

ayo

n (O

y)

Un effet des interactions :

Modes propres d’oscillation collective

(excitation paramétrique)

Page 9: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Effet des interactions dipolaires sur les modes propres

( )t ms

PRL 105, 040404 (2010)

Du fait de leur anisotropie, les interactions dipolaires

ont un effet sur les modes propres qui dépend de

l’axe de polarisation

1.2

1.0

0.8

0.6

2015105

Asp

ect

rati

o

B

Page 10: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Stuttgart, PRL 95, 150406 (2005)

Magnéto-Striction

Une vitesse du son anisotrope

(spectroscopie de Bragg) 0.15

0.10

0.05

0.00

3000200010000

Frequency difference (Hz)

Fra

cti

on

of

ex

cit

ed

ato

ms

Villetaneuse, arXiv: 1205.6305 (2012)

Autres effets de l’interaction dipolaire sur les

propriétés hydrodyamiques du condensat

Des effets intéressants, mais petits…

Page 11: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

2 – Magnétisme :

L’interaction dipolaire libère la magnétisation

-3 -2 -1 0 1 2 3

ddVG

-3 -2 -1 0 1 2 3

Page 12: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Il faut bien contrôler B

(100 µG)

Rotation du BEC ?

Vortex ?

Effet Einstein-de-Haas

BgmE BS

Couplage spin-rotation (conservation du moment angulaire total)

Physique des spinors à magnétisation libre

-1

0 1 Sans

interaction

dipolaire -1

0

1 avec ddV

Page 13: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Magnétisation libre : température de spin et température « mécanique »

Time of flight Temperature ( K)

Sp

in T

empera

ture

(K

)

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

1.21.00.80.60.40.2

On mesure une température de

spin en mesurant les

populations (séparées par

méthode Stern-Gerlach)

A bas champs : degré de liberté de spin activé

-1

0

1

-2

-3

2

3

B Bg B k T

-3 -2 -1 0 1 2 3

Page 14: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

1.21.00.80.60.40.2

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

1.21.00.80.60.40.20.0

Temperature ( K)

Temperature ( K)

Mag

net

izat

ion

Co

nd

ensa

te f

ract

ion

Une magnétisation spontanée

due à la condensation

BEC dans mS=-3

(état de plus basse

énergie)

900B G

Distribution

« gaussienne »

Thermodynamique d’un gaz de Bose sans interaction à

plusieurs composantes : un BEC est ferromagnetique

Nouveau magnétisme Phys. Rev. Lett. 108, 045307 (2012)

T>Tc T<Tc

Distribution « bi-

modale »

-3 -2 -1 0 1 2 3 -3 -2 -1 0 1 2 3

Page 15: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Sous un champ critique, le BEC n’est plus ferromagnétique !

Temperature ( K)

Mag

neti

zat

ion

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

1.20.80.40.0

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

0.50.40.30.20.1

Temperature ( K)

Con

den

sate

fra

cti

on

On observe un condensat

dépolarisé :

Nécessairement un effet des

interactions entre atomes

B=100 µG

B=900 µG

Phys. Rev. Lett. 108, 045307 (2012)

Page 16: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Démagnétisation spontanée d’un condensat due aux interactions dipolaires

21/3 20( )

4dd J BV r n S g n

Echelle de temps de dépolarisation :

-3 -2 -1 0 1 2 3

On

bai

sse

B

Zeeman populations

2

6 4

4cB B n a a

m

Dépolarisation sous

(= l’énergie Zeeman est plus

petite que l’énergie d’interaction)

(100 µG)

-2 -3

4" "6" "

On revisite le magnétisme ; dans des réseaux optiques

Magnétisme quantique

Dynamique : interaction dipolaire Phases magnétique : interaction de contact

Page 17: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Les interactions dipolaires libèrent la

magnétisation

0D On peut étudier le magnétisme en réseau

étude de la dynamique de magnétization

couplage résonant entre bandes

oscillations de spin

couplage entre rotation et spin

(effet Einstein-de-Haas)

Nouvelles phases quantiques

-3 -2 -1 0 1 2 3

(a)

(b)

(c)

(d)

Conclusions, perspectives…

Temperature ( K)

Mag

neti

zat

ion

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

1.20.80.40.0

L’effet de déplacement lumineux permet

de contrôler les phases obtenues

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.50.40.30.20.10.0

-2.0

-1.5

temps (ms)

mag

nétiz

ation

Fra

cti

on

dans

m=

-2

Page 18: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Perspectives / hydrodynamique

1.2

1.0

0.8

0.6

2015105

Asp

ect

rati

o

0.15

0.10

0.05

0.00

3000200010000

Frequency difference (Hz)

Fra

cti

on

of

ex

cit

ed

ato

ms

Les interactions dipolaires modifient les excitations collectives

Une vitesse anisotrope = superfluidité anisotrope ?

Exciter des modes collectifs de spin ?

Peut-on explorer les liens entre

magnétisme et superfluidité ?

Page 19: Interactions dipolaires dans un condensat de Bose-Einstein

Merci !