Photons in fractal structures: thermodynamics, quantum optics and Casimir effect
le mardi 29 novembre 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC
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Lieu : Maison des Magistères, amphi MAG
Résumé : Fractals define a new and interesting realm for a discussion of basic phenomena in QED and
quantum optics and their implementation. This interest results from specific properties of
fractals, e.g., their dilatation symmetry as opposed to the translation symmetry of Euclidean
space and the corresponding absence of Fourier mode decomposition. Moreover, the
existence of a set of distinct (usually non integer) dimensions characterizing the physical
properties (spatial or spectral) of fractals make them a useful testing ground for
dimensionality dependent physical problems.
We shall start by noting that the absence of Fourier transform on a fractal implies necessarily
different notions of volume in direct and reciprocal spaces and thus the need to modify the
Heisenberg uncertainty principle. Implications for field quantization and the definition of the
notion of photon on a fractal will be further addressed.
These ideas will find interesting applications in quantum optics of fractal cavities. More
specifically, we shall discuss the existence of a strong Purcell effect, the modification of
spontaneous emission, and the Casimir effect.
We shall then turn to the case of massive bosons and discuss the nature of Bose-Einstein
condensation and the onset of superfluidity in fractal structures. The existence of distinct
fractal dimensions characterizing spatial and spectral properties is instrumental in
understanding the dimensionality dependence of the BEC and the existence of a superfluid
order either through the existence of an "Off Diagonal Long Range Order" (ODLRO) or the
generalization of the Mermin-Wagner theorem.
Cold atoms in 2D optical lattices under staggered rotation
le jeudi 17 novembre 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC
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Lieu : Maison des Magistères, amphi MAG
Résumé : In this talk, I will first show how a two-dimensional square lattice
model with an artificial staggered flux can be simulated with
ultracold atoms trapped in a bichromatic optical lattice. For bosonic
atoms, besides the known uniform superfluid and Mott insulating
phases, the zero-temperature phase diagram exhibits a novel kind of
finite-momentum superfluid phase, characterized by a quantized
staggered rotational flux [1]. An extension for fermionic atoms leads
to a realization of highly tunable interacting Dirac fermions. With
attractive interaction in particular, besides a s-wave superfluid
phase, an unconventional superfluidity with non-local bond pairing
arises [2].
[1] Lih-King Lim, C. Morais Smith, and Andreas Hemmerich, PRL 100, 130402 (2008).
[2] Lih-King Lim, Achilleas Lazarides, Andreas Hemmerich, and C. Morais Smith, EPL 88, 36001 (2009).
Résumé : Les isolants topologiques sont des matériaux isolants dans le bulk mais qui permettent le transport de charges sur leurs bords. Leur découverte récente, d'abord en dimension 2 dans des puits quantiques de HgTe, puis en dimension 3 dans une classe de matériaux tels que Bi2Se3 ou Bi2Te3, a ouvert la voie à de nombreuses applications notamment dans les domaines de la spintronique ou de l'informatique quantique. Parallèlement, plusieurs nouveaux phénomènes physiques ont pu être prédits. L’existence de ces états de bords est protégée par un invariant topologique caractéristique de la structure de bandes du bulk et une propriété essentielle de ces matériaux est l'absence totale de diffusion en dimension 2 ou une réduction drastique de l'espace des phases des états de diffusion en dimension 3.
L'étude des isolants topologiques a été réalisée jusqu’à présent sans interaction. Cela était justifié par la protection topologique des états de bords. Cependant, la situation est encore mal comprise, d’autant plus que dans certains cas on s’attend à de fortes interactions. En utilisant une théorie effective de basse énergie pour l’état de surface des isolants topologiques 3D, nous avons récemment analysé les conséquences du couplage électron-phonon. Nous avons ainsi pu prédire différentes grandeurs physiques comme la durée de vie des quasi-particules ou la résistivité surfacique, qui sont en très bon accord avec les premiers résultats expérimentaux.
Single-channel transport in disordered multichannel systems
le mardi 8 novembre 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC
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Lieu : Maison des Magistères, amphi MAG
Résumé : Electronic transport in conductors or light or sound in samples in which randomly scattered waves diffuse may be characterized by the transmittance, T, which is equal to the number of effective open channels, Neff, with transmission coefficients close to unity. Beyond the localization length, at which T= Neff =1, T becomes dominated by a single channel of the largest transmission which falls exponentially with length L due to Anderson localization. The crossover to single-channel transport in disordered multichannel systems has been observed in statistics measurements of microwave radiation transmitted in ensembles of quasi-one-dimensional (Q-1D) random waveguides. The degree of fluctuations in transmitted "speckle" intensity relative to transmittance fluctuations exhibits a universal scaling behavior in the crossover to the single-channel regime, in which the disordered system can be treated as a 1D localized system coupled diffusely, through all independent channels,
to the surrounding medium. We also observe single-channel pulse transmission in localized Q-1D waveguides at short and long time delays following a pulsed excitation. This indicates that localized eigenmodes of a multichannel disordered system, including rare-occurred, short-lived "necklace" states occupy distinct transmission eigenchannels of the system.
Quasiparticle effects in superconducting qubits
le mardi 18 octobre 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC
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Lieu : Maison des Magistères, amphi MAG
Résumé : Josephson junctions are the central nonlinear elements of superconducting qubits. The interaction between the qubit degree of freedom and the quasiparticles tunneling through the junctions leads to an intrinsic relaxation mechanism. I will show that the corresponding decay rate depends on the magnetic flux that tunes the qubit properties in devices such as the phase and flux qubits, the split transmon, and the fluxonium. The theory is valid for both equilibrium and nonequilibrium quasiparticle distributions and redicts a shift in the qubit frequency due to quasiparticles. I will discuss recent
experimental measurements of these effects and a way to distinguish
nonequilibrium quasiparticles from other relaxation mechanisms in future
experiments.
Long-lived qubits in atomic systems
le vendredi 14 octobre 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC et Institut Néel
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Lieu : Maison des Magistères, amphi MAG
Résumé : In this talk, I will present a scheme for qubits stored in clusters
of three atoms that are long-lived against decoherence from
fluctuating magnetic fields, a limiting source of noise in many
experiments. Each qubit is stored in a rotationally invariant
subsystem of the total angular momentum states of the three atoms, and
can persist for time-scales on the order of hours, compared to
milliseconds for an unprotected qubit. I will first present the
theoretical scheme of rotationally invariant subsystems in atomic
systems, and then move on to discuss current work at CQT on an
experimental scheme to demonstrate the persistence of the qubit. This
includes methods for state preparation via Rydberg blockade, state
tomography via light scattering, as well as novel techniques for state
estimation with sparse data.
Quantum Optics in Semiconductors
le mardi 27 septembre 2011 à 14h00
Séminaire LPMMC
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Lieu : Maison des Magistères, salle MAG 1
Résumé : Since the pioneering studies on the coherence properties of radiation to modern quantum optical experiments - on fundamental issues of quantum mechanics such as Bell's theorem, quantum complementarity or quantum nondemolition measurements - the subtle properties of light has been deeply debated topics. Moreover, atom-cavity systems have been used to investigate quantum dynamical processes for open quantum systems in a regime of strong coupling and to explore quantum behaviours that have no classical counterparts.
On the other hand, since the early seventies researchers have been exploring the possible realization of semiconductor-based heterostructures, devised according to the principles of quantum mechanics. The development of sophisticated growth techniques started a revolution in semiconductor physics, determined by the possibility of manipulation and building of miniaturized structures with taylored properties and interactions.
However, these heterostructures have some fundamental differences with respect to the simpler two-level atom-single mode cavity model greatly exploited in quantum optics, due principally to their solid state mesoscopic nature. From fundamental as well as applyed physics perspectives, these structures present difficult challenges because microscopic many-body physics of interacting particles (e.g. Coulomb interaction) has to be merged with the quantum theory of light in these confined systems. Anyway, it is thanks to this very peculiar feature that these devices ar so successful as prototype systems, as ideal accessible and controllable arenas to investigate quantum coherence effects in competition with many-body Coulomb nonlinearities and decoherence.
In this seminar I will describe a few examples of quantum optical many-body phenomena in semiconductor nanostructured systems. With the help of some works of mine [1,2,3] done in recent years I will try to present the challenges, the viewpoints and the state-of-the-art of this field from fundamental as well as applyed physics perspectives.
[1] A. Ridolfo et al., Phys. Rev. Lett. 106, 013601 (2011)
[2] M. Winger et al., Phys. Rev. Lett. 103, 207403 (2009)
[3] S. Portolan et al., Europhys. Lett. 88, 20003 (2009)
(titre non communiqué)
le lundi 20 juin 2011 à 11h00
Séminaire interne LPMMC
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Lieu : salle lecture 2, maison des Magistères
Résumé : Nicolas Barré:
Étude de l'effet Josephson avec des bosons ultra-froids
Dans le domaine de la supraconductivité l'effet Josephson est un effet
de cohérence quantique à l'échelle macroscopique qui donne lieu
à l'établissement d'un courant entre deux matériaux supraconducteurs
couplés par un lien faible, même en l'absence de potentiel extérieur
appliqué. Une application bien connue est le SQUID (Superconducting
QUantum Interference Device) qui est un anneau supraconducteur composé
de deux jonctions Josephson, permettant de mesurer des flux de champs
magnétiques avec une extrême précision. La physique des bosons
ultra-froids est également bien décrite par une fonction d'onde
macroscopique, donnant également lieu à un effet Josephson lorsque
deux condensats de Bose-Einstein sont séparés par une barrière de
potentiel. Dans le cas de particules non chargées, le rôle tenu par
le champ magnétique est reproduit à travers la mise en rotation du
sytème.
Dans ce stage, nous nous intéressons à l'étude de l'effet Josephson
dans un anneau composé d'un gaz de bosons ultra-froids mis en rotation
et séparé par deux barrières tunnel. Je présenterai brièvement les
résultats que l'on peut attendre sur le courant au vu d'un
raisonnement macroscopique, puis j'exposerai un modèle microscopique
traitant d'un gaz de bosons sans interactions. Je discuterai enfin de
l'approximation à deux modes et des conclusions qu'elle permet de
tirer sur l'effet Josephson dans un anneau d'un point de vue
microscopique.
Alexander Bilmes
Phase slip effects in a Josephson-Junction array
In this entership a long array of Josephson-Junction is considered as a phaseslip-qubit. By fixing the phase on the JJ-chain, every single junction can do phaseslips by 2π. Hence there will exist two degenerate states (m slips and m+1 slips). To treat this two-state-system as a qubit one has to operate with the non-demolition-readout by coupling the JJ-array to a cavity. The goal of this entership is to calculate the coupling constant for a flux- and a voltage biased circuit and to show their duality.
James-cummings-hamiltonian and stark shift for big detuning
introduction to JJ-array, explication of the phase-slip effect
demonstration of the flux- and voltage biased circuits and their expected hamiltonians
discussion
Manutea Candé:
Dans le cadre de l'étude de la propagation de la lumière en milieu désordonné
nous nous sommes intéressés durant ce stage à des situations dans lesquelles
l'état quantique de la lumière incidente est intriqué en fréquence. Pour cela,
nous avons considéré un état à deux photons intriqués obtenu à partir d'un
processus d'optique non linéaire que l'on envoie à travers une tranche de
milieu désordonné. La lumière en sortie est ensuite détectée en champ lointain
par deux photo-détecteurs. En utilisant le formalisme de la matrice de
diffusion, nous avons calculé différents taux de coïncidence entre les deux
détecteurs afin de mettre en évidence des phénomènes d'interférences liés à
l'intrication initiale de l'état de la lumière. Enfin, nous nous sommes aussi
intéressés à des situations différentes où un seul des deux photons pénètre le
milieu désordonné, le second se propageant dans le vide avant d'attendre le
détecteur. Ce type d'étude pourrait ouvrir la voie à de nouvelles perspectives
tant sur le plan de la caractérisation des milieux complexes à l'aide de la
lumière que sur celui du transfert d'information à travers un milieu
désordonné.
Résumé : Après presque un siècle d'études, la condensation et l'évaporation d'un fluide dans un milieu poreux font toujours l'objet de nombreuses recherches. Une question très discutée porte sur l'origine de l'hystérésis entre condensation et évaporation, et sur les rôles respectifs du confinement, du désordre, ou de la topologie du milieu poreux.
Nous étudions ce problème en utilisant comme fluide l'hélium à basse température. Grâce au très faible indice optique de l'hélium , nous pouvons sonder, par diffusion de la lumière, la distribution de liquide à l'échelle microscopique, et identifier ainsi les mécanismes en jeu lors de la condensation et de l'évaporation. Les basses températures offrent l'avantage supplémentaire de permettre de réaliser des isothermes pression-densité de très haute résolution.
Dans cet exposé, j'illustrerai la puissance de cette combinaison d'approches pour deux types de mileux poreux.
Dans le Vycor, un verre poreux constitué de pores cylindriques interconnectés, nous avons montré que la fermeture du cycle d'hystérésis entre condensation et évaporation, à une température 10% inférieure à la température critique, s'explique par un mécanisme d'activation thermique, plutôt que par une modification de la transition de phase par le confinement. Nous avons également mis en évidence l'existence d'un cross-over du mécanisme d'évaporation entre percolation, à basse température, et cavitation, à haute température.
Dans les aérogels de silice, milieux extrêment poreux constitués de filaments de silice, je montrerai que nos résultats sont compatibles avec l'hypothèse que l'hystérésis est contrôlée par le désordre du paysage énergétique. La transition liquide-gaz de l'hélium dans les aérogels offre ainsi le moyen expérimental d'explorer le concept récent de transition de phase hors d'équilibre. Je discuterai certaines avancées récentes dans cette direction : exploration des états métastables, et mémoire du point de retour.
Enfin, pour améliorer notre sensibilité de détection des processus de condensation, nous avons récemment monté une expérience d'interférométrie speckle. Les résultats obtenus soulèvent plusieurs questions de principe, qui pourraient utilement être discutées après le séminaire.
Talbot carpet, telemetry and optical pumping with frequency shifted feedback lasers
le lundi 18 avril 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC
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Lieu : Salle de lecture 2, maison des Magistères
Résumé : Frequency shifted feedback (FSF) lasers are regular laser cavities, in which a frequency shifter has been inserted: each times a photon makes a roundtrip in the cavity its frequency is shifted by a few tens of MHz. This confers to the laser field very specific properties. The optical spectrum is broadband and continuous, and when this laser feeds a two-beam interferometer the noise spectrum of the output field shows additional beats, whose position depends linearly on the path delay of the interferometer. I will present a simple and intuitive model for FSF lasers accounting for these specific coherence properties. Then I will discuss possible applications of these lasers in positioning, telemetry and tomography. Finally I will present its application to atomic physics, where FSF lasers enable to excite the whole Doppler and hyperfine width of an atomic transition. An illustration is the realization of an interferometer based on optical pumping, with a fringe spacing reduced by a factor of two compared to a regular interferometer at the same wavelength.
Résumé : Le service informatique vous propose cette année une série de petite formations sur différents "savoir-faire" qui vous seront utiles dans le cadre de vos activités de recherche élargies ..
Ces mini-formations se veulent pragmatiques et interactives. Aussi n'hésitez pas à nous soumettre les sujets qui sont importants pour vous.
La première portera sur les solutions de visio-conférence / télé-conférence : quelles possibilités ? quelles contraintes de sécurité ? et nous vous proposerons une démonstration.
From rotating atomic rings to quantum Hall states
le lundi 21 mars 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC
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Lieu : Salle de lecture 2, maison des Magistères
Résumé : Considerable efforts are currently devoted to the preparation of ultracold
neutral atoms in the emblematic strongly correlated quantum Hall regime.
The routes followed so far essentially rely on thermodynamics, i.e.
imposing the proper Hamiltonian and cooling the system towards its ground
state. In rapidly rotating 2D harmonic traps the role of the transverse
magnetic field is played by the angular velocity. The needed angular
momentum is very large and it can be obtained only for spinning frequencies
extremely near to the deconfinement limit; consequently, the required
control on experimental parameters turns out to be far too stringent.
Here we propose to follow instead a dynamic path starting from the gas
confined in a rotating ring. The large moment of inertia of such geometry
facilitates the access to states with a large angular momentum,
corresponding to a giant vortex. The trapping potential is then
adiabatically transformed into a harmonic confinement, which brings the
interacting atomic gas in the desired quantum Hall regime. We provide clear
numerical evidence that for a relatively broad range of initial angular
frequencies, the giant vortex state is adiabatically connected to the
bosonic ν=1/2 Laughlin state, and we discuss the scaling to many
particles and the robustness against experimental defects.
Résumé : On étudie un condensat de Bose-Einstein en rotation dans le cadre de la théorie de Gross-Pitaevskii bi-dimensionnelle. Nous identifierons et calculerons trois vitesses de rotation critiques marquant des transitions de phases caractérisées par des changements radicaux de la répartition des vortex dans le condensat.
En particulier nous démontrons rigoureusement l'apparition d'une phase de type vortex géant lorsque la vitesse de rotation dépasse un seuil que nous calculons.
Cyclotron resonance of K point electrons in graphite
le mercredi 23 février 2011 à 11h00
Séminaire interne LPMMC
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Résumé : We have studied the cyclotron resonance in graphite at low magnetic
fields. It is dominated by the vicinity of the K point because of
the large density of states.
Instead of a single absorption line expected in the simple
parabolic-band model, the observed spectrum represents multiple
harmonic structure (up to 20 harmonics).
We have used a semiclassical approach that enables us to interpret the
experimental data, and we have shown that the presence of the trigonal
warping of the electronic band leads to two series of selection rules
3N-1 and 3N+1 for allowed transitions, unlike the usual simple
parabolic-band model that gives |N|=1.
Self-trapping ultracold bosons in an optical superlattice under a gravity ramp
le lundi 21 février 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC
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Résumé : We analyze the effect of a sudden quench of a linear chemical potential on
a trapped one-dimensional Bose gas initially confined in a finite region of
an optical lattice. In the impenetrable limit, we develop an hydrodynamical
theory which provides the temporal evolution of the density profile. We
found that a finite density of the particles remain confined, and another
is ejected outside the initial boundaries. We found analytic expressions
for the `plateau' region and for the time-dependent shape of the ejected
particles. Furthermore, using adaptive time-dependent DMRG and exact
diagonalization techniques, we investigate the same dynamics in the truly
interacting Bose-Hubbard model. The resulting dynamics typically shows two
different regimes. For strong repulsion the system show a principal
frequency in the temporal evolution of the observables resembling the
result in the impenetrable limit. Oppositely, when decreasing the coupling
and the system becomes more non-integrable, its time evolution takes on a
chaotic character. The features of this transition depend on the value of
the gradient.
Résumé : La jonction de Josephson avec un condensat de Bose-Einstein d'excitons-polaritons sera présentée dans le cadre de la théorie du champ moyen mono-mode, basée sur les équations du type Gross-Pitaevskii. Les dynamiques linéaire et non-linéaire sont considérées pour les effets extrinsèques et intrinsèques. La transition d'un régime de piégeage quantique microscopique à des oscillations Josephson se produit en raison du temps de vie fini d'un condensat de polaritons. Lorsque qu'une dynamique de polarisations non triviale est créée, il apparait dans l'espace réel la séparation spontanée des condensats ayant des polarisations opposées.
Une approche basée sur la technique de Keldysh est utilisée pour aller vers une théorie multi-modes qui va prendre en compte le couplage avec des états excités.
Modified Fluctuation-dissipation theorem for non-equilibrium steady-states and applications
le lundi 7 février 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC
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Résumé : It is a general rule that as a system gets smaller its fluctuations increase.
As a consequence, in small systems, thermodynamic quantities like work or heat
are only defined in a statistical sense. Exact relations between
the statistical distributions of thermodynamic quantities, known as fluctuations relations,
have been obtained about a decade ago.
Within the linear regime, these fluctuations relations lead to a modified
fluctuation-dissipation theorem valid for systems close to non-equilibrium
steady-states and obeying markovian dynamics.
We discuss possible applications of that idea to experiments in the context
of biophysics.
Résumé : Les gaz dégénérés d'atomes ultrafroids constituent un système modèle pour explorer les propriétés d'états quantiques à N-corps fortement corrélés. Pour les fermions, la possibilité d'un déséquilibre de population entre les états de spin a été récemment à l'origine de nombreuses études théoriques et expérimentales. Nous nous intéressons à la situation où un seul fermion de spin down est immergé dans une mer de Fermi de particules de spin up. Ce problème joue un rôle clé dans l'analyse du diagramme de phase à température nulle et la description des expériences réalisées sur des gaz piégés.
Lorsque la longueur de diffusion est négative, nous avons généralisé un premier calcul approché introduit précédemment et ne prenant en compte qu'une seule excitation particule-trou. Ceci nous a permis de donner à la fois une description exacte du polaron et de mieux comprendre l'efficacité de la première approche. Nous nous sommes ensuite intéressés au cas de la dimension 1. A nouveau, notre approche donne des résultats en excellent accord avec la solution exacte, lorsque celle-ci est connue. Enfin, nous avons généralisé, à l'aide d'une approche diagrammatique, notre traitement à la situation où l'interaction est suffisamment forte pour produire un état lié. Nous obtenons ainsi une description quasi-exacte du système tout au long de la transition BEC-BCS, qui est en excellent accord avec les résultats expérimentaux récents du groupe de C. Salomon au LKB.
Background atoms and decoherence in optical lattices
le mardi 11 janvier 2011 à 11h00
Séminaire LPMMC
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Lieu : Salle de lecture 2, maison des magistères
Résumé : Many quantum phenomenon, although predicted theoretically, still
couldn't be observed because of strong decoherence. In case of Bose-
Einstein condensation a potentially significant role is played by losses.
With the help of a suitable master equation I investigate a role of
background gas on the loss of coherence in optical lattices. In the talk
I will present and comment an exact solution of the master equation.
I will also confront my results with coherence revival observed in [1] --
the comparision is a topic of my paper [2].
[1] M. Greiner, O. Mandel, T. W. Hänsch, and I. Bloch, Nature 419, 51
(2002).
[2] K. Pawlowski and K. Rzazewski, Phys. Rev. A 81, 013620 (2010).
Laboratoire de Physique et Modélisation des Milieux Condensés
