Competition between Bose Einstein Condensation and spin dynamics

We study the impact of spin-exchange collisions on the dynamics of Bose-Einstein condensation, by rapidly cooling a chromium multi-component Bose gas. Despite relatively strong spin-dependent interactions, the critical temperature for Bose-Einstein condensation is reached before the spin-degrees of freedom fully thermalize. The increase in density due to Bose-Einstein condensation then triggers spin dynamics, hampering the formation of condensates in spin excited states. Small metastable spinor condensates are nevertheless produced, and manifest strong spin fluctuations.Comment: 5 pages, 4 figure

Spontaneous demagnetization of a dipolar spinor Bose gas at ultra-low magnetic field

Quantum degenerate Bose gases with an internal degree of freedom, known as spinor condensates, are natural candidates to study the interplay between magnetism and superfluidity. In the spinor condensates made of alkali atoms studied so far, the spinor properties are set by contact interactions, while magnetization is dynamically frozen, due to small magnetic dipole-dipole interactions. Here, we study the spinor properties of S=3 $^{52}$Cr atoms, in which relatively strong dipole-dipole interactions allow changes in magnetization. We observe a phase transition between a ferromagnetic phase and an unpolarized phase when the magnetic field is quenched to an extremely low value, below which interactions overwhelm the linear Zeeman effect. The BEC magnetization changes due to magnetic dipole-dipole interactions that set the dynamics. Our work opens up the experimental study of quantum magnetism with free magnetization using ultra-cold atoms.Comment: 6 pages, 4 figures, 2 appendice

Cooling of a Bose-Einstein Condensate by spin distillation

We propose and experimentally demonstrate a new cooling mechanism leading to purification of a spinor Bose-Einstein Condensate (BEC). Our scheme starts with a BEC polarized in the lowest energy spin state. Spin excited states are thermally populated by lowering the single particle energy gap set by the magnetic field. Then these spin-excited thermal components are filtered out, which leads to an increase of the BEC fraction. We experimentally demonstrate such cooling for a spin 3 52Cr dipolar BEC. Our scheme should be applicable to Na or Rb, with perspective to reach temperatures below 1 nK.Comment: 4 figure

Non-equilibrium quantum magnetism in a dipolar lattice gas

Research on quantum magnetism with ultra-cold gases in optical lattices is expected to open fascinating perspectives for the understanding of fundamental problems in condensed-matter physics. Here we report on the first realization of quantum magnetism using a degenerate dipolar gas in an optical lattice. In contrast to their non-dipolar counterparts, dipolar lattice gases allow for inter-site spin-spin interactions without relying on super-exchange energies, which constitutes a great advantage for the study of spin lattice models. In this paper we show that a chromium gas in a 3D lattice realizes a lattice model resembling the celebrated t-J model, which is characterized by a non-equilibrium spinor dynamics resulting from inter-site Heisenberg-like spin-spin interactions provided by non-local dipole-dipole interactions. Moreover, due to its large spin, chromium lattice gases constitute an excellent environment for the study of quantum magnetism of high-spin systems, as illustrated by the complex spin dynamics observed for doubly-occupied sites.Comment: 10 pages, 5+5 figure

Effet du terme de Breit complet sur les niveaux d'energie des atomes : applications au cas des ions lourds heliumoiedes

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Refroidissement et piégeage d'atomes de chrome

[Résumé en français]. Ce travail s inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques d'atomes dipolaires : condensat de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le dispositif expérimental est décrit. Les solutions adoptées pour réaliser un four à haute température et un faisceau laser à 425,5 nm non modulé sont détaillées. Les pièges magnéto-optiques des deux isotopes sont caractérisés par un fort taux de collisions à deux corps et un taux de pertes à un corps dominé par une désexcitation vers des états métastables. Cette propriété permet d'accumuler en continu de l'ordre de dix millions d'atomes dans un piège magnétique. Un piège magnéto-optique du mélange 52Cr-53Cr est aussi étudié. La réalisation du premier piège optique d'atomes dans des états métastables est montrée pour le 52Cr. Ce résultat est une étape vers l'obtention d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.[Résumé en anglais]. This works comes within the scope of obtaining quantum gases of dipolar atoms : a Bose-Einstein condensate of 52Cr and a Fermi sea of 53Cr. The experimental setup is described. The solutions chosen to operate a high-temperature oven and a blue laser beam at 425,5 nm which is not modulated are detailed. The magneto-optical traps for both isotopes are characterized by a high two-body collision rate and a one-body loss rate dominated by a decay towards metastable states. This property enables us to accumulate continuously on the order of ten millions atoms in a magnetic trap. A magneto-optical trap of the mixture 52Cr-53Cr is also analyzed. The achievement of the first optical trap of atoms in metastable states is shown for 52Cr. This result is a step towards the realization of a crossed dipole trap where atoms will be polarized and then cooled below the condensation thresholdPARIS13-BU Sciences (930792102) / SudocSudocFranceF

Atomes froids de chrome piegés magnétiquement et optiquement@ (premières étapes vers la condensation)

[Résumé français] Le travail de cette thèse s inscrit dans la perspective d étudier les interactions dipo-laires dans des gaz de bosons et de fermions quantiquement dégénérés. Dans ce manuscrit on présente la réalisation d une experience pour refroidir et piéger des atomes de Cr, ayant un fort moment magnétique de 6 B.Nos experiences ont permis d obtenir et d étudier des pièges agneto-optiques pour les deux isotopes majoritaires du Cr. Des experiences de chargement en continu des atomes métastables de Cr, dans des pièges agnétiques de profondeur finie (tronquespar des champs RF) ont permis d obtenir des densités dans l espace des phases de 6 . 10 , dans des temps inférieurs à la seconde. Les propriétés collisionnelles des atomes métastables de Cr ont été étudiés en detail. Finalement, une nouvelle méthode de chargement d un piège optique avec plus d un 52 million d atomes méta stables de Cr, à100 K, été mis en evidence. La polarization de ces atomes dans l état minimal en énergie ouvre des perspectives pour commencer le 52 oidissement évaporatif, afin d atteindre la condensation de Bose-Einstein du Cr.[Résumé anglais]The work of this thesis comes in the prospect of studying dipolar interactions in quantum-degenerate gasses of osons and fermions. In this manuscript I present the realization of an experiment to cool and trap Cr atoms, which have a strong agnetic moment of 6 B. Our experiments made it possible to obtain and study magneto-optical traps for the two most abundant isotopes of Cr. periments of continuous loading of metastable Cr atoms in finite-depth magnetic traps (truncated by an RF field) allowed us to obtain 6 phase-space densities up to 7.10, in less than one second. Collisional properties of the metastable Cr atoms were studied in detail. Finally,anewmethodofloadinganopticaltrapwithmorethanonemillionmetastable 52 Cr atoms, at 100 K, was demonstrated. The -polarization of these atoms in the lowest energy state opens perspectives for evaporative cooling, in order to reach the 52 Bose-Einstein condensation of Cr.PARIS13-BU Sciences (930792102) / SudocSudocFranceF

Condensation de Bose-Eisntein du chrome et étude de collisions inélastiques dues aux insteractions dipolaires

A cause de son fort moment magnétique dans l'état fondamental, le chrome est un bon candidat pour l'etude des interactions dipolaires dans un gaz dégénéré. Nous avons mis en place un dispositif expérimental a n de piéger et de refroidir des atomes de 52 Cr jusqu à la condensation de Bose-Einstein. Le refroidissement évaporatif a lieu dans un piège optique, dont le chargement à partir du piège magnéto-optique est réalisé grâce à une méthode originale d accumulation en continu d atomes dans des états métastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15000 atomes en 15s au total. Nous avons étudié la possibilité d amener les sous-états Zeeman du chrome condensé à dégénérescence dans un champ magnétique statique non nul, en utilisant un champ magnétique radiofréquence (rf). Cela nous a conduit à mettre en évidence un processus de relaxation dipolaire assistée par la rf. Nous avons également étudié une résonance de Feshbach induite par l interaction dipolaire, qui a la particularité d impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analysé cette résonance en présence de champs rf, et réinterprété l association rf de molécules comme une simple résonance de Feshbach entre états habillés. Enfin, nous avons mis en place un réseau optique dans la perspective d étudier l'effet des interactions dipôle-dipôle en dimension réduite.Its large magnetic moment in the ground state makes chromium a good candidate for the study of dipolar interactions in a degenerate gas. We have built an experimental setup for trapping and cooling atoms of 52Cr down to Bose-Einstein condensation (BEC). Evaporative cooling takes place in a purely optical trap, which is loaded from the magneto-optical trap using a novel process of continuous accumulation of metastable states. We produce a condensate of typically 15000 atoms in a time of 15 s. We studied the possibility to bring all the Zeeman substates of a chromium BEC to degeneracy in a non-zero static magnetic eld, using a radiofrequency (rf) magnetic eld, andd emonstrated a new process of rf-assisted dipolar relaxation.... We also studied a narrow Feshbach resonance induced by dipolar interaction, which implies a d-wave collisional chanel. We analyzed this resonance in the presence of a rf magnetic eld and were interpreted rf association of molecules as a mere Feshbach resonance between rf dressed states. Finally, we have setup an optical lattice in the perspective of studying the effects of dipole-dipole interactions in reduced dimension.PARIS13-BU Sciences (930792102) / SudocSudocFranceF

Excitations d un condensat de Bose-Einstein dipolaire

Nos expériences ont été consacrées à l étude d un condensat de chrome, élément possédant un fort moment magnétique. Elles nous ont permis de mettre en évidence l in uence des interactions dipolaires sur les propriétés hydrodynamiques et magnétiques d un condensat. Ces interactions sont, contrairement aux interactions de contact, anisotropes et à longue portée. Nous avons étudié un mode d oscillations collectives, de type quadrupolaire, du condensat de chrome. Nous avons observé que la fréquence de ce mode dépend légèrement de l orientation des dipôles, xée par le champ magnétique. De plus, nous avons utilisé la di usion de Bragg pour sonder le spectre des excitations de Bogoliubov du condensat. Nous avons caractérisé l e et des interactions dipolaires sur les énergies d excitation. Dans le régime phononique, nous en avons déduit une anisotropie de la vitesse du son, qui dépend de la direction de propagation de l onde sonore relativement à l axe de polarisation des dipôles. Nous avons également étudié les collisions inélastiques dues à l interaction dipôle-dipôle, appelées relaxations dipolaires. Nous avons observé, d une part, que le taux de collision est directement lié aux corrélations de paires dans le condensat, et d autre part, que ce taux dépend fortement de la dimensionnalité du système. À très bas champ magnétique, nous avons mis en évidence une dynamique spinorielle, due aux interactions dipolaires, qui se traduit par une démagnétisation spontanée du condensat. Ces expériences ont été facilitées par la mise au point d une cavité optique passive ultra-stable , utilisée pour asservir nos nouveaux lasers.Abstract : In our experiments, we have studied a chromium Bose-Einstein condensate. Because of the strong magnetic moment of chromium, these experiments enabled us to characterize the in uence of dipolar interactions on the hydrodynamic and magnetic properties of a condensate. These interactions are anisotropic and long range, as opposed to contact interactions. We have studied a quadrupole-like collective excitation mode of the chromium condensate. We have observed that the frequency of this mode is dependent on the orientations of the atomic dipoles, given by the direction of the external magnetic eld. Moreover, we have used Bragg spectroscopy in order to measure the shift caused by dipolar interactions on the Bogoliubov excitations energies. In the phononic regime, our results reveal the anisotropy of the velocity of sound, which depends on the direction of the sound wave with respect to the axis of the dipoles. We have also studied dipolar relaxation, which is a type of inelastic collision caused by dipolar interactions. We have observed that the collision rate is directly related to pair correlations in the condensate. Furthermore, we have shown that this rate is strongly dependent on the dimensionality of the system. At very low magnetic elds, dipolar interactions are responsible for a spontaneous demagnetization of the condensate, which we have also observed. Our experiments were made easier by the building of a passive optical cavity, which was used to e ectively stabilize our new lasers.PARIS13-BU Sciences (930792102) / SudocSudocFranceF

Nonlinear selective reflection in cascade three-level atomic systems

International audienc