ANR AGAFON

Champs de jauge artificiels pour atomes neutres

Partenaires

Laboratoire Kastler Brossel

Jérôme Beugnon, maître de conférences à l'UPMC
Jean Dalibard, professeur au Collège de France
Sylvain Nascimbene, maître de conférences à l'ENS

Laboratoire Pierre Aigrain

Nicolas Regnault, chargé de recherche au CNRS et Princeton Global Scholar

Projet

Le projet Agafon est un projet de recherche fondamentale, théorique et expérimentale, coordonné par Jean Dalibard (Collège de France et Laboratoire Kastler Brossel). Il associe Nicolas Regnault (Laboratoire Pierre Aigrain), ainsi que Jérôme Beugnon et Sylvain Nascimbene (Laboratoire Kastler Brossel). Cinq étudiants en thèse et deux postdocs ont également contribué à cette recherche. Le projet a commencé en octobre 2012 et a duré 36 mois.

Les gaz d’atomes refroidis sous le microkelvin :
un simulateur des systèmes quantiques en interaction, de la matière condensée à l’astrophysique

Les progrès remarquables dans la production de gaz d’atomes ultra-froids ont ouvert un nouveau champ de recherche, à l’interface entre la physique atomique et la physique statistique. On dispose désormais de multiples outils pour contrôler l’état d’équilibre de ces gaz ainsi que leur dynamique : on peut travailler avec des isotopes bosoniques ou fermioniques ; la mise en forme des faisceaux lumineux confinant le gaz permet de fabriquer des potentiels variés (harmoniques, périodiques, uniformes, voire même désordonnés) ; on peut dans certains cas varier la force des interactions grâce à des résonances de diffusion. Cette grande flexibilité permet d’envisager l’utilisation de ces gaz comme des simulateurs d’autres systèmes quantiques en interaction encore mal compris, comme le fluide d’électrons d’un matériau supraconducteur ou l’assemblée de neutrons présents dans une étoile en fin de vie. L’enjeu de ce projet a été d’explorer ce concept de simulateur quantique, en s’intéressant tout particulièrement aux effets magnétiques. Il s’agit d’une question non triviale puisque les atomes étant neutres, le magnétisme ordinaire est absent et il faut donc générer un magnétisme artificiel.

Gaz d’atomes froids à deux dimensions et magnétisme artificiel :
de l’observation de défauts topologiques à l’effet Hall quantique

Nous avons développé dans ce projet plusieurs volets allant de l’analyse théorique du magnétisme artificiel à l’expérimentation sur des gaz d’atomes refroidis, en passant par des calculs numériques intensifs. Sur le plan expérimental, le principal verrou que nous avons dû surmonter a été la réalisation de gaz d’atomes bidimensionnels et uniformes, analogues des gaz d’électrons donnant naissance à l’effet Hall quantique. Une fois ces gaz obtenus, nous avons réussi, grâce à une imagerie à haute résolution, à y observer des vortex similaires à ceux apparaissant dans les matériaux supraconducteurs. Sur le plan théorique, un effort particulier a été porté sur la notion de « réseau de flux » ; il s’agit de concevoir une onde lumineuse stationnaire dans laquelle les atomes se déplacent, telle que les bandes d’énergie caractérisant le mouvement atomique ont une topologie similaire à celle des niveaux de Landau pour un électron dans un champ magnétique. Nous avons également exploré une autre méthode de manipulation de particules, apparue récemment dans le contexte des atomes froids et tirant parti d’une modulation temporelle de l’hamiltonien décrivant le mouvement des particules.

Pour en savoir plus

Publications liées au projet

Ce projet a donné lieu à 16 publications dans des revues à comité de lecture : 5 Physical Review Letters, 1 PNAS, 1 Nature Communications, 1 Physical Review A, 7 Physical Review B, 1 Physical Review X.

Nigel R. Cooper and Jean Dalibard : « Reaching Fractional Quantum Hall States with Optical Flux Lattices », Phys. Rev. Lett. 110, 185301 (2013)
N. Goldman, J. Dalibard, A. Dauphin, F. Gerbier, M. Lewenstein, P. Zoller, I. B. Spielman : « Direct imaging of topological edge states in cold-atom systems », PNAS 110(17) 6736-6741 (2013).
N. Regnault and T. Senthil, «Microscopic model for the boson integer quantum Hall effect», Phys. Rev. B 88, 161106R (2013).
S.C. Davenport, E. Ardonne, N. Regnault, and S.H. Simon, « Spin-singlet Gaffnian wave function for fractional quantum Hall systems », Phys. Rev. B 87, 045310 (2013).
Z. Hadzibabic and J. Dalibard, « BKT Physics with Two-Dimensional Atomic Gases », in Jorge V José (éd.), 40 Years of Berezinskii–Kosterlitz–Thouless Theory, World Scientific, 2013, 297-324.
F. Chevy and J. Dalibard, « Bose-Einstein condensation of atomic gases », in K.H. Bennemann & J.B. Ketterson (éd.), Novel Superfluids, Oxford University Press, 2013, 398-428.
N. Goldman, J. Dalibard, « Periodically-driven quantum systems: Effective Hamiltonians and engineered gauge fields », Phys. Rev. X 4, 031027 (2014).
Rémi Desbuquois, Tarik Yefsah, Lauriane Chomaz, Christof Weitenberg, Laura Corman, Sylvain Nascimbène, Jean Dalibard, « Fit-free determination of scale invariant equations of state: application to the two-dimensional Bose gas », Phys. Rev. Lett. 113, 020404 (2014).
L. Corman, L. Chomaz, T. Bienaimé, R. Desbuquois, C. Weintenberg, S. Nascimbene, J. Dalibard, J. Beugnon, « Quench-induced supercurrents in an annular two-dimensional Bose gas », Physical Review Letters 113, 135302 (2014)
C. Repellin, B. Andrei Bernevig, N. Regnault, «Z2 fractional topological insulators in two dimensions », Phys. Rev. B 90, 245401 (2014)
C. Repellin, T. Neupert, Z. Papic, N. Regnault, «The single-mode approximation for fractional Chern insulators and the fractional quantum Hall effect on the torus», Phys. Rev. B 90, 045114 (2014).
A. Sterdyniak, B. Andrei Bernevig, N.R. Cooper, N. Regnault, «Interacting bosons in topological optical flux lattices »,Phys. Rev. B 91, 035115 (2015).
Zhao Liu, R. N. Bhatt, N.Regnault, «Characterization of quasiholes in fractional Chern insulators», Phys. Rev. B. 91, 045126 (2015) .
C. Repellin, T. Neupert, B. Andrei Bernevig, N. Regnault, «Projective construction of the Zk Read-Rezayi fractional quantum Hall states and their excitations on the torus geometry», Phys. Rev. B 92, 115128 (2015).
A. Sterdyniak, Nigel R. Cooper and N. Regnault, «Bosonic integer quantum Hall effect in optical flux lattices», Phys. Rev. Lett. 115, 116802 (2015).
M. Aidelsburger, M. Lohse, C. Schweizer, M. Atala, J. T. Barreiro, S. Nascimbene, N. R. Cooper, I. Bloch, N. Goldman, « Revealing the topology of Hofstadter bands with ultracold bosonic atoms », Nature Physics 11, 162 (2015)
L. Chomaz, L. Corman, T. Bienaimé, R. Desbuquois, C.Weitenberg, S. Nascimbene, J. Beugnon, J. Dalibard, « Emergence of coherence via transverse condensation in a uniform quasi-two-dimensional Bose gas », Nature Communications 6, 6162 (2015)
S. Nascimbene, N. Goldman, N. R. Cooper, J. Dalibard, « Dynamic optical lattices of sub-wavelength spacing for ultracold atoms », Phys. Rev. Lett. 115, 140401 (2015)