Arrays of single dysprosium atoms in optical tweezers to study collective light scattering
Chaines d'atomes uniques de dysprosium dans des pinces optiques pour étudier la diffusion collective de la lumière
Résumé
This thesis focuses on the development of an optical tweezer experiment with dysprosium atoms to study light-induced interactions.The goal is to investigate situations in which the electric field radiated by an atom as it de-excites can influence another nearby atom.The work presented here shows that the techniques developed to image and manipulate individual atoms in optical tweezers can provide new experimental tools to study the problem of collective light scattering.The first part of the thesis involves the design and construction of an optical tweezer experiment using dysprosium for the first time.Once the system was built, we characterized the behavior of dysprosium atoms in optical tweezers.In particular, we measured the influence of the trap light's polarization on the atom's polarizability.Through these measurements, we demonstrated the existence of a magic polarization that enables high-fidelity, non-destructive imaging of individual dysprosium atoms.Once this goal was achieved, we carried out some light scattering experiments on ordered atomic arrays created with optical tweezers.To do so, we developed a technique to detect the internal state of a single atom on an optical transition, leveraging the rich internal structure of the dysprosium atom.Using this technique, we studied how the electric field radiated by one atom can influence the measured frequency of the transition.We observed a collective shift of the spectrum in the steady-state regime, within the approximation of classical radiating dipoles.We then measured the influence of these interactions on Ramsey spectroscopy.This situation cannot be described within a classical approximation and requires to take into account the discrete nature of the energy levels of the atoms.We also establish a connection between the results obtained in this regime and the classical limit.
Cette thèse porte sur la construction d'une expérience de pinces optiques avec des atomes de dysprosium pour étudier les interactions induites par la lumière.Le but est d'étudier des situations dans laquelle le champ électrique rayonné par un atome lorsqu'il se désexcite peut influencer un autre atome proche.Le travail présenté ici montre que les techniques développées pour imager et manipulerdes atomes individuels dans des pinces optiques peuvent fournir de nouveaux outils expérimentaux pour étudier le problème de la diffusion collective de la lumière.Une première partie de la thèse consiste en la conception et la construction d'une expérience de pinces optiques utilisant pour la première fois des atomes de dysprosium. Une fois le système construit, nous avons caractérisé le comportement des atomes de dysprosium dans les pinces optiques.En particulier, nous avons mesuré l'influence de la polarisation de la lumière du piège sur la polarisabilité de l'atome.Grâce à ces mesures, nous avons montré l'existence d'une polarisation magique qui rend possible l'imagerie non-destructive d'atomes uniques de dysprosium avec haute fidélité.Une fois ce but atteint, nous avons réalisé de premières expériences de diffusion de la lumière sur des ensembles atomiques ordonnés réalisés avec des pinces optiques.Pour ce faire, nous avons développé une technique de détection de l'état interne d'un atome unique sur une transition optique en utilisant la structure riche de l'atome de dysprosium.Grâce à cette technique, nous avons étudié comment le champ électrique rayonné par un atome sur un autre influence la mesure de la fréquence de la transition.Nous avons observé le décalage collectif du spectre en régime stationnaire dans l'approximation de dipôles rayonnants classiques.Nous avons ensuite mesuré l'influence de ces interactions sur la spectroscopie de Ramsey.Cette situation ne peut être décrite dans une approximation classique et il est nécessaire de tenir compte de la discrétisation de l'état interne des atomes.Nous faisons également le lien entre les résultats obtenus dans ce régime et la limiteclassique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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