Spin exchange and magnetization dynamics of a dipolar quantum gas
Échange de spin et dynamique d’aimantation d’un gaz quantique dipolaire
Résumé
This Thesis reports on several experimental studies of magnetic properties of a Chromium Bose-Einstein
condensate loaded into a 3D optical lattice, focusing on the effects induced by dipolar interactions.
We show that in a 3D lattice dipolar relaxation is a resonant process due to the reduction of the density of
accessible orbital states. These resonances are observed for magnetic fields Bres such that the Zeeman energy
released matches an excitation towards higher-energy bands of the lattice. We can thus inhibit those processes by
applying a field different from Bres. Analyses of the resonances allowed us to probe the lattice 3D band structure
as well as to demonstrate the effects of local interactions between atoms.
We study spin exchange dynamics in a 3D lattice. We especially observed for the first time spin exchange
between atoms localized in different lattice sites mediated by dipolar interactions. These studies are the first
step toward a new exploration of magnetism in lattice. Varying the depth of the lattice we study these effects in
the superfluid regime, well described by mean filed theories, as well as in the strongly correlated regime, whose
theoretical description is still challenging.
Finally, we study the evolution dynamics of two giant spins interacting through dipolar interactions. The
condensate being initially splitted in half, atoms from the two clouds are prepared in opposite spin states thus
producing two giant spins of plus or minus 3xN. We show that any spin dynamics is energetically inhibited for large spins which is well accounted for by a classical theory.
Dans ce mémoire nous présentons plusieurs études expérimentales des propriétés magnétiques d’un condensat
de Bose-Einstein de Chrome chargé dans un réseau 3D, en nous focalisant sur les effets associés aux interactions
dipolaires.
Nous montrons que dans un réseau 3D, la relaxation dipolaire est un processus résonant du fait de la
réduction de la densité d’états orbitaux accessibles. Les résonances sont observées à des champs magnétiques
Bres tels que l’énergie Zeeman relâchée soit égale à l’énergie nécessaire à exciter les atomes dans une bande
d’énergie supérieure du réseau. Nous pouvons inhiber ce processus en appliquant un champ différent de Bres.
L’analyse des résonances a permis de sonder la structure de bande 3D du réseau, ainsi que la mise en évidence
de l’effet des interactions entre atomes.
Nous avons étudié la dynamique d’échange de spin dans un réseau 3D. Nous présentons en particulier la
première observation d’échange de spin entre atomes localisés dans des sites séparés. Ces études permettent
une exploration nouvelle du magnétisme en réseau. En variant la profondeur du réseau, nous étudions ces effets
dans le régime superfluide, bien décrit par une théorie de champ moyen, et dans le régime fortement corrélé,
dont la description théorique est diffcile.
Enfin, nous étudions l’évolution de deux spins géants interagissant par interaction dipolaire. Le condensat
initialement divisé en deux, les atomes des deux nuages sont préparés dans des états de spin opposés formant
ainsi deux spins géants de plus ou moins 3xN. Nous montrons que toute dynamique de spin est énergétiquement inhibée pour de grands spins ce qui est bien reproduit par une théorie classique.
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