Towards quantum degenerate atomic Fermi mixtures : design of the experiment and magnetic transport of ⁶Li-⁴⁰K
Thomas Salez (LKB)

Résumé :

Au cours de ce travail de doctorat, j’ai participé au montage complet d’une expérience
visant à refroidir et manipuler deux espèces atomiques alcalines fermioniques, ⁶Li et
⁴⁰K. Le dispositif expérimental a pour objectifs l’étude des mélanges de fermions ultrafroids
de masses différentes et la réalisation d’un simulateur analogique quantique flexible.
En effet, là où certains problèmes quantiques à corps en interaction, comme la
supraconductivité à haute température critique ou l’antiferromagnétisme frustré, sont
difficiles à aborder analytiquement et numériquement, les atomes froids, systèmes purs
et contrôlables jusque dans leur interaction, offrent un point de vue complémentaire et
intéressant.

Lors de la conception du dispositif expérimental, nous avons assemblé une enceinte
à ultra-vide, réalisé un système laser stabilisé complet pour chaque espèce et
mis en place deux sources atomiques performantes, un ralentisseur Zeeman de ⁶Li et
un piège magnéto-optique bidimensionnel de ⁴⁰K ; la plupart des grandeurs optiques et
électriques ainsi que les diagnostiques d’imagerie étant contrôlés par voie informatique.
Ces premières étapes ont permis l’obtention d’un piège magnéto-optique à deux espèces
performant, contenant typiquement 5 × 10⁹ atomes de ⁶Li et 8 × 10⁹ atomes de ⁴⁰K.
Dans cette configuration, nous avons produit les premières molécules hétéronucléaires
de ⁶Li⁴⁰K^* par photo-association, pour lesquelles nous avons observé et identifié 70
raies rovibrationnelles.

Dans une seconde partie, je décris en détail le transport magnétique du mélange
atomique entre la cellule du piège magnéto-optique et une cellule d’expérience, où règne
un vide poussé et bénéficiant d’un grand accès optique. Ce dispositif complet, de sa
conception à son optimisation expérimentale, en passant par son assemblage mécanique
et la mise en place de diagnostiques numériques, fait partie intégrante de mon travail.
Son efficacité a pu être testée et optimisée, permettant ainsi un transfert performant
du mélange vers la cellule finale.

Aussi, à l’issue de cette thèse, tous les outils sont opérationnels pour poursuivre le
refroidissement du mélange par évaporation dans un piège magnétique. Par conséquent,
le champ est ouvert pour la simulation quantique et la compréhension de problèmes à
corps dans les mélanges de gaz de Fermi ultra-froids.

Abstract :

During my PhD, I participated in the full setup from scratch of an experiment that aims
at cooling down and manipulating two fermionic alkaline atomic species, ⁶Li and ⁴⁰K.
Our goal is to study ultracold Fermi mixtures with mass imbalance, and to realize a
quantum analog simulator. In fact, for certain quantum many-body problems, such as
high critical temperature superconductivity and frustrated anti-ferromagnetism, there
is no complete analytical or numerical solution. Therefore, cold atoms systems, due to
their purity and their high degree of tunability, even on their interaction itself, offer a
complementary and interesting point of view in the study of those phenomena.

As far as the experimental setup is concerned, we built an ultra-high vacuum system,
a complete and stable laser source for each species, as well as two performing atomic
sources, a ⁶Li Zeeman slower and a ⁴⁰K bidimensionnal magneto-optical trap ; most of
the optical and electrical quantities, as well as the imaging diagnostics, being computer
controlled. Once those preliminary steps have been performed and optimized, we could
obtain an efficient double magneto-optical trap, containing typically 5 × 10⁹ atoms of
⁶Li and 8 × 10⁹ atoms of ⁴⁰K. In this configuration, we produced the first ⁶Li⁴⁰K^*
heteronuclear molecules by photo-association, for which we identified 70 rovibrational
lines.

In a second part, I describe in detail the magnetic transport of the atomic mixture,
between the magneto-optical trap chamber and a science cell, located in an ultra-high
vacuum region with large optical access. The complete setup, from its design to its
experimental implementation and optimization, as well as the development of useful
numerical diagnostics, are parts of my work. The transport efficiency could be tested
and optimized, allowing for a performing transfer of the mixture in the science cell.

Thus, after this thesis, all the experimental tools are operational in order to allow
for evaporative cooling of the mixture in an optically plugged magnetic trap. Therefore,
the field is open for quantum simulation and understanding of many-body problems in
ultracold Fermi mixtures.