Quantum atom optics with metastable helium atoms
Optique atomique quantique avec des atomes d'hélium métastables
Abstract
In this thesis we deal with in the implementation of an atomic physics experiment, inspired by quantum optics. Since the 1980's, photons have been used to experimentally demonstrate the nonlocal nature of certain quantum phenomena (Aspect et al. 1981) or the consequences of the indistinguishability of particles (Hong, Ou and Mandel 1987). In the "Quantum Atom Optics" team we try to extend this type of experiments to the field of massive particles: by replacing photons by metastable helium atoms. This particular choice of chemical species is related to the fact that the metastable state of helium has a large internal energy (of the order of twenty electronvolts) which is higher than the typical work function of an electron in a metal (a few electronvolts). This energy can then be used advantageously to obtain a detector sensitive to a single atom. Indeed, the collision of a metastable helium atom on a metallic substrate can give birth to an electron, which (like in a photomultiplier) then generates a measurable electronic cascade. Such a detector is called a "microchannel plate" and it allows us to obtain three-dimensional information about the mechanical state of individual atoms (in particular their velocities), which in general is not easily accessible in most experiments.Thanks to atom interferometry techniques (in particular Bragg diffraction) we are then able to experimentally test the quantum properties of systems involving a small number of atoms, with respect to their velocities. This is a novelty because the quantum parameter considered here is a mechanical variable (the velocity) therefore having a direct classical equivalent. This is sometimes referred to as an "external parameter", as opposed to "internal parameters" such as polarization, spin, electronic state, etc. Which in general have an intrinsic quantum origin.In this field, our team has recently obtained promising results, with the observation of the atomic Hong-Ou-Mandel effect in 2015, as well as the realization of a two-particle, four-mode interferometer for atoms in 2017. Our current project is therefore to extend this work, by attempting to measure a violation of Bell's inequalities, for a system of two atoms whose velocities are entangled.In addition to the epistemological significance of such a result, this would be an important milestone towards the development of a new generation of experiments, allowing a better understanding of the effect of gravitation on the quantum state of particles: atoms being massive, and thus subjected to free fall. It would also be a starting point towards the realization of more complex multi-particle quantum states, where entanglement would be shared between more than two particles. The recent emergence of quantum technologies has proven the great importance of the ability to produce and manipulate such highly non-classical states.We report in this manuscript on the recent technical evolutions that we have implemented to be able to perform such an experiment.This manuscript also presents a theoretical study of the generalization of the Hong-Ou-Mandel effect, corresponding to a scenario where a large number of bosons interfere. Our experimental setup is indeed able to produce such states. We demonstrate that it is possible to experimentally measure physical quantities revealing the quantum indistinguishability between distributions of particles.
Dans cette thèse nous nous intéressons à la mise en place d'une expérience de physique atomique, inspirée par l'optique quantique. Dès les années 1980, les photons ont permis de témoigner expérimentalement du caractère non local de certains phénomènes quantiques (Aspect et al. 1981) ou encore des conséquences de l'indiscernabilité des particules (Hong, Ou et Mandel 1987). Au sein de l'équipe « Optique Atomique Quantique » nous tentons d'étendre ce type d'expériences au domaine des particules massives : en remplaçant les photons par des atomes d'hélium métastables. Ce choix particulier d'espèce chimique est lié au fait que l'état métastable de l'hélium possède une énergie interne importante (de l'ordre de vingt électronvolts) ce qui est supérieur au travail d'extraction typique d'un électron dans un métal (quelques électronvolts). Cette énergie peut alors être utilisée avantageusement pour obtenir un détecteur sensible à un unique atome. En effet, la collision d'un atome d'hélium métastable sur un substrat métallique peut donner naissance à un électron, qui (à la manière d'un photomultiplicateur) engendre alors une cascade électronique mesurable. Un tel détecteur s'appelle une « galette de microcanaux » et il nous permet d'obtenir des informations à trois dimensions sur l'état mécanique d'atomes individuels (en particulier leurs vitesses), ce qui en général est difficilement accessible dans la plupart des expériences.Grâce aux techniques d'interférométrie atomique (en particulier la diffraction de Bragg) nous sommes alors en mesure de tester expérimentalement les propriétés quantiques de systèmes mettant en jeu un faible nombre d'atomes, eu égard à leurs vitesses. Ceci est une nouveauté car le paramètre quantique considéré ici est une variable mécanique (la vitesse) ayant donc un équivalent classique direct. On parle alors parfois de « paramètre externe », par opposition aux « paramètres internes » tels que la polarisation, le spin, l'état électronique, etc. Qui en général possèdent une origine quantique intrinsèque.Dans ce domaine, notre équipe a récemment obtenu des résultats prometteurs, avec l'observation de l'effet Hong-Ou-Mandel atomique en 2015, ainsi que la réalisation d'un interféromètre atomique à deux particules et quatre modes en 2017. Notre projet actuel consiste donc à prolonger ce travail, en tentant de mesurer une violation des inégalités de Bell pour un système de deux atomes dont les vitesses sont intriquées.Outre la portée épistémologique d'un tel résultat, ceci serait une première étape importante vers l'élaboration d'une nouvelle génération d'expériences permettant une meilleure compréhension de l'effet de la gravitation sur l'état quantique des particules : les atomes étant massifs, et donc soumis à la chute libre. Il s'agirait en outre d'un point de départ vers la réalisation d'états quantiques à multiples particules plus complexes, où l'intrication serait partagée entre plus que deux particules. La récente émergence des technologies quantiques a prouvé la grande importance que revêt la capacité à produire et manipuler de tels états hautement non-classiques.Nous rendons ainsi compte dans ce manuscrit des récentes évolutions techniques que nous avons mises en œuvre pour être en mesure d'effectuer une telle expérience.Ce manuscrit expose également une étude théorique de la généralisation de l'effet Hong-Ou-Mandel, correspondant à une situation où un grand nombre de bosons interfèrent. Notre dispositif expérimental est en effet en mesure de produire de tels états. Nous démontrons donc qu'il est possible de mesurer expérimentalement des quantités physiques révélant l'indiscernabilité quantique entre des distributions de particules.
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