京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21549号 / 理博第4456号 / 新制||理||1640(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 高橋 義朗, 教授 田中 耕一郎, 教授 前野 悦輝 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Dans ce travail, nous montrons qu'il est possible d'effectuer un passage adiabatique efficace dans un système quantique non-linéaire quadratique à deux états décrivant la formation de molécules faiblement liées dans les condensats atomiques de Bose-Einstein par la photo-association par champs laser.Un transfert adiabatique efficace est également possible si on prend en compte les non-linéarités de troisième ordre décrivant les collisions élastiques atome-atome, atome-molécule et moléculaire-molécule.Le transfert est obtenu en choisissant un désaccord approprié calculé en résolvant le problème inverse.Nous montrons également que l'on peut effectuerun suivi Raman stimulé exact dans un système non-linéaire quantique à trois états.Dans le passage d'atomes libres à l'état moléculaire stable, les pertes irréversibles de l'état moléculaire intermédiaire faiblement lié peuvent être évitées par un schéma à trois états en deux couleurs dans le cas avec résonances à un ou deux photons.Ceci est obtenu par une technique de suivi exacte.Nous avons également étudié des modèles linéaires à deux états bi-confluents de Heun, dépendant du temps, avec des solutions en termes de combinaisons linéaires d'un nombre fini de fonctions Hermite d'ordre non entier.Nous avons présenté un modèle dont la solution implique seulement deux fonctions Hermite. Il s'agit d'une configuration de champ avec croisement par résonance donnée par une fréquence Rabi exponentiellement divergente et un désaccord qui commence à partir de la résonance exacte et diverge exponentiellement à l'infini. Le modèle prend en compte les pertes irréversibles du second état. / In this work we show that it is to perform an efficient adiabatic passage in a basic quadratic-nonlinear quantum two-state system describing weakly bound molecule formation in atomic Bose-Einstein condensates through photoassociation by laser fields. An efficient adiabatic transfer is also possible if the third-order nonlinearities describing the atom-atom, atom-molecule, and molecule-molecule elastic scattering are taken into account. The transfer is achieved by choosing a proper detuning derived by solving the inverse problem.We also show that one can perform a stimulated Raman exact tracking in a quadratic-nonlinear quantum three-state system.The irreversible losses from the intermediate weakly bound molecular state in a passage of free atoms to the stable molecular state can be avoided by a two-colour three-state scheme in the case of one- and two-photon resonances for the associating laser fields.This is achieved by an exact tracking technique.We also studied the linear time-dependent two-state bi-confluent Heun models with solutions in terms of linear combinations of a finite numberof the Hermite functions of non-integer order.We have presented a model the solution for which involves just two Hermite functions.This is a resonance-crossing field configuration given by an exponentially diverging Rabi frequency and a detuning that starts from the exact resonance and exponentially diverges at the infinity. The model takes into account the irreversible losses from the second state.

Nous étudions la dynamique non linéaire en champ moyen de la formation de molécules diatomiques par photo-association ou magnéto-association d'atomes ultra froids pour un système entièrement atomique dans l'état initial. Nous montrons que dans la limite d'une forte interaction non linéaire entre un système atome-molécule ultra froid et un champ électromagnétique quasi résonnant, le processus de formation du condensat moléculaire peut évoluer suivant deux scénarios en fonction des caractéristiques du champ : régime faiblement oscillatoire ou régime fortement oscillatoire. Dans le cas du régime faiblement oscillatoire, le nombre de molécules augmente sans oscillations prononcées des populations atomiques et moléculaires alors que de fortes oscillations de Rabi apparaissent dans le second cas. Nous présentons des solutions analytiques décrivant la dynamique temporelle du système dans ces deux cas. Nous étudions ensuite l'influence de la diffusion élastique entre particules sur la dynamique de formation cohérente de molécules sous l'action d'un champ extérieur représenté par le modèle de Landau-Zener. Nous déterminons une solution approchée qui décrit bien toute la dynamique temporelle de formation moléculaire dans ce cas général.

The primary study of this thesis is spin-nematic squeezing in a spin-1 condensate. The measurement of spin-nematic squeezing builds on the success of previous experiments of spin-mixing together with advances in low noise atom counting. The major contributions of this thesis are linking theoretical models to experimental results and the development of the intuition and tools to address the squeezed subspaces. Understanding how spin-nematic squeezing is generated and how to measure it has required a review of several theoretical models of spin-mixing as well as extending these existing models. This extension reveals that the squeezing is between quadratures of a spin moment and a nematic (quadrapole) moment in abstract subspaces of the SU(3) symmetry group of the spin-1 system. The identification of the subspaces within the SU(3) symmetry allowed the development of techniques using RF and microwave oscillating magnetic fields to manipulate the phase space in order to measure the spin-nematic squeezing. Spin-mixing from a classically meta-stable state, the phase space manipulation, and low noise atom counting form the core of the experiment to measure spin-nematic squeezing. Spin-nematic squeezing is also compared to its quantum optics analogue, two-mode squeezing generated by four-wave mixing. The other experimental study in this thesis is performing spin-dependent photo-association spectroscopy. Spin-mixing is known to depend on the difference of the strengths of the scattering channels of the atoms. Optical Feshbach resonances have been shown to be able to alter these scattering lengths but with prohibitive losses of atoms near the resonance. The possibility of using multiple nearby resonances from different scattering channels has been proposed to overcome this limitation. However there was no spectroscopy in the literature which analyzes for the different scattering channels of atoms for the same initial states. Through analysis of the initial atomic states, this thesis studies how the spin state of the atoms affects what photo-association resonances are available to the colliding atoms based on their scattering channel and how this affects the optical Feshbach resonances. From this analysis a prediction is made for the extent of alteration of spin-mixing achievable as well as the impact on the atom loss rate.

Nous étudions la dynamique non linéaire en champ moyen de la formation de molécules diatomiques par photo-association ou magnéto-association d’atomes ultra froids pour un système entièrement atomique dans l’état initial. Nous montrons que dans la limite d’une forte interaction non linéaire entre un système atome-molécule ultra froid et un champ électromagnétique quasi résonnant, le processus de formation du condensat moléculaire peut évoluer suivant deux scénarios en fonction des caractéristiques du champ : régime faiblement oscillatoire ou régime fortement oscillatoire. Dans le cas du régime faiblement oscillatoire, le nombre de molécules augmente sans oscillations prononcées des populations atomiques et moléculaires alors que de fortes oscillations de Rabi apparaissent dans le second cas. Nous présentons des solutions analytiques décrivant la dynamique temporelle du système dans ces deux cas. Nous étudions ensuite l’influence de la diffusion élastique entre particules sur la dynamique de formation cohérente de molécules sous l’action d’un champ extérieur représenté par le modèle de Landau-Zener. Nous déterminons une solution approchée qui décrit bien toute la dynamique temporelle de formation moléculaire dans ce cas général. / We study the nonlinear mean-field dynamics of diatomic molecule formation at coherent photo- and magneto-association of ultracold atoms focusing on the case when the system is initially in the all-atomic state. We show that in the limit of strongly nonlinear interaction between an ultra-cold atomic-molecular system and a quasi-resonant electromagnetic field, the molecule formation process, depending on the characteristics of the associating field, may evolve according two different scenarios, namely, weak- and strong-oscillatory regimes. In the first case the number of molecules increases without pronounced oscillations of atom-molecule populations, while in the second case high-amplitude Rabi-type oscillations arise. Assuming an arbitrary external field configuration, we construct analytical solutions to describe the system’s temporal dynamics in the both interaction regimes. Further, we investigate the influence of inter-particle elastic scattering on the dynamics of coherent molecule formation subject to an external field configuration of the resonance-crossing Landau-Zener model. We derive an approximate solution which for the first time describes the whole temporal dynamics of the molecule formation in this general case.

- Une méthode numérique de type "grille de Fourier à pas variable" pour résoudre l'équation de Schrödinger radiale est améliorée. Il est observé qu'un algorithme de transformations sinus et cosinus discrètes permet de représenter l'hamiltonien par une matrice dont le spectre ne contient pas de niveaux parasites.<br />- Les énergies des états vibrationnels les moins liés du complexe van der Waals Na - Na2 sont calculées par une méthode hypersphérique diabatique-par-secteur. Les niveaux calculés sont analysés par la théorie du défaut quantique.

Au voisinage de la condensation de Bose-Einstein, les propriétés<br />collisionelles d'un gaz dilué d'hélium métastable (He $2^3S$) sont<br />gouvernées par les collisions Penning ionisantes, et par la longueur de diffusion. Afin de sonder ces propriétés, de nouvelles expériences de photo-association (PA) ont été entreprises dans lesquelles une paire d'atomes métastables absorbe un photon pour former une molécule électroniquement excitée. En particulier, des ``dimères géants" ont été produits, pour lesquels l'auto-ionisation est inhibée. Des spectres de raies ont été mesurés avec une grande précision par une méthode originale de détection ``calorimétrique". Parallèlement, les potentiels électroniques à longue distance d'une paire $2^3S+2^3P$ ont été calculés. Une approche asymptotique est présentée en détail, qui permet de reproduire avec un très bon accord les énergies de liaison des dimères géants obtenues expérimentalement.