Two experiments on quantum correlations in gases of metastable helium: fermion antibunching and a study of boson pair correlations in the collision of two condensates
Deux expériences de corrélations quantiques sur des gaz de Hélium métastable : dégroupement de fermions et étude de paires de bosons corrélés par collision de condensats
Résumé
This thesis presents two experiments on ultracold gases of metastable Helium that constitute the extension, to matter waves, of experiments that have been fundamental for the development of quantum optics. Both experiments have been realized by using a single atom detector, that allows one to reconstruct the position of the atoms in three dimensions. In the first experiment we directly compared the two-body correlation function for a cold cloud of identical fermions and for a cold cloud of identical bosons at the same temperature issued from the same experimental apparatus. Since bosons and fermions obey different quantum statistics, the two-body correlation functions are different: identical bosons tend to be detected bunched in pairs, while identical fermions tend to antibunch because of the Pauli exclusion principle. In the second experiment we studied the correlation between pairs of bosonic atoms generated in the collision of two Bose-Einstein condensates. The measurement of the correlation function allows us to demonstrate that atoms flying back to back in the centre of mass frame are correlated in pairs. Furthermore the observation of a Hanbury Brown Twiss correlation between atoms with collinear velocity demonstrates that our system cannot be interpreted in terms of classical mechanics, but that the bosonic statistics plays a crucial role. A new version of the experiment will allow us to measure the angular dependence of the population of the scattering modes and the number difference squeezing between two correlated modes.
Cette thèse présente deux expériences sur des gaz ultrafroids d'hélium métastable qui constituent l'extension, à des ondes de matière, d'expériences fondamentales en optique quantique. Le succès de ces expériences repose sur l'utilisation d'un détecteur d'atomes uniques capable de reconstruire la position des atomes en trois dimensions. Dans la première expérience nous avons comparé, sur le même dispositif expérimental, la fonction de corrélation à deux corps des atomes appartenant à un nuage froid de fermions identiques à celle d'un nuage froid de bosons identiques à la même température. Comme bosons et fermions suivent deux statistiques quantiques différentes, les deux fonctions de corrélation sont différentes : les bosons ont tendance à arriver groupés sur le détecteur, alors que les fermions ont tendance à arriver dégroupés, à cause du principe d'exclusion de Pauli. Dans la deuxième expérience nous avons étudié la corrélation entre paires d'atomes bosoniques générées dans la collision de deux condensats de Bose-Einstein. La mesure de la fonction de corrélation nous a permis de démontrer que les atomes d'impulsion opposée, dans le référentiel du centre de masse, sont corrélés par paires. De plus l'observation d'une corrélation de type Hanbury Brown Twiss entre paires d'atomes diffusés dans la même direction démontre que notre système ne peut pas être interprété en termes de mécanique classique, mais que la statistique bosonique y joue un rôle important. Une nouvelle génération de cette expérience permettra de mesurer la dépendance angulaire de la population des modes atomiques diffuses et d'étudier le squeezing de la différence de population entre modes opposés.
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