Une des plus fascinantes predictions de la mecanique statistique quantique concerne la transition de phase d'un gaz de bose sans interaction (gaz parfait de bosons) caracterisant l'apparition d'une condensation de bose-einstein (condensation conventionelle). Longtemps associe a l'helium 4, ce phenomene permit l'explication theorique qualitative de la superfluidite, a savoir la theorie microscopique de bogoliubov. L'objet de cette these est l'etude des condensations de bose au travers de ces differentes manifestations. De l'analyse du comportement thermodynamique du gaz de bogoliubov, nous explicitons ainsi une nouvelle notion de condensation : une condensation de bose non conventionnelle induite d'un phenomene d'interaction et non d'un mecanisme de saturation de la densite de particules (cf. Gaz parfait de bosons). De maniere plus generale, plusieurs sortes de condensations sont ensuite etudiees au travers d'exemples plus simples de gaz de bosons en interaction diagonale. On peut remarquer que l'etude des phenomenes de condensations dans des gaz de bosons faiblement imparfaits comme le gaz de bogoliubov n'ont pas qu'un interet academique. En effet depuis 1995, l'etude experimentale de gaz alcalins en faible interaction (rubidium, lithium et sodium) pieges dans un puits magnetique a demontre l'existence d'une condensation de bose pour des temperatures de l'ordre du nano kelvin. L'etude d'un modele de bose analogue au gaz de bogoliubov dans un puits de potentiel pourrait alors donner une theorie microscopique de ces gaz et donc une base theorique a leurs comportements thermodynamiques, comme l'existence d'une condensation apparemment non conventionnelle du gaz de sodium a tres basse temperature.
Une des plus fascinantes predictions de la mecanique statistique quantique concerne la transition de phase d'un gaz de bose sans interaction (gaz parfait de bosons) caracterisant l'apparition d'une condensation de bose-einstein (condensation conventionelle). Longtemps associe a l'helium 4, ce phenomene permit l'explication theorique qualitative de la superfluidite, a savoir la theorie microscopique de bogoliubov. L'objet de cette these est l'etude des condensations de bose au travers de ces differentes manifestations. De l'analyse du comportement thermodynamique du gaz de bogoliubov, nous explicitons ainsi une nouvelle notion de condensation : une condensation de bose non conventionnelle induite d'un phenomene d'interaction et non d'un mecanisme de saturation de la densite de particules (cf. Gaz parfait de bosons). De maniere plus generale, plusieurs sortes de condensations sont ensuite etudiees au travers d'exemples plus simples de gaz de bosons en interaction diagonale. On peut remarquer que l'etude des phenomenes de condensations dans des gaz de bosons faiblement imparfaits comme le gaz de bogoliubov n'ont pas qu'un interet academique. En effet depuis 1995, l'etude experimentale de gaz alcalins en faible interaction (rubidium, lithium et sodium) pieges dans un puits magnetique a demontre l'existence d'une condensation de bose pour des temperatures de l'ordre du nano kelvin. L'etude d'un modele de bose analogue au gaz de bogoliubov dans un puits de potentiel pourrait alors donner une theorie microscopique de ces gaz et donc une base theorique a leurs comportements thermodynamiques, comme l'existence d'une condensation apparemment non conventionnelle du gaz de sodium a tres basse temperature.
Après leur prédiction par Einstein en 1925, les gaz condensés de Bose sont restés longtemps des vues de l’esprit car, par la faute d’interactions attractives, aucun système connu ne restait gazeux à suffisamment basse température pour en permettre l’observation. Mais des théories microscopiques ont été développées, comme celle très féconde de Bogolioubov en 1947, pour comprendre les effets d’une interaction modèle répulsive sur les propriétés statiques et dynamiques du gaz, dont la superfluidité. En 1995, coup de théâtre : les premiers condensats de Bose-Einstein gazeux sont réalisés avec des atomes froids d’alcalins au JILA et au MIT ; très peu denses, ces systèmes échappent temporairement à la solidification et sont en interaction effective répulsive. Plusieurs équipes s’engouffrent dans la brèche, y compris à l’ENS Ulm. Pour expliquer les premières observations, des approches macroscopiques simples suffisent. L’accent est mis sur les effets du piège harmonique absent des théories fondatrices. Cependant, les mesures s’affinent, et l’on trouve comment accéder aux propriétés intrinsèques du gaz homogène. Des questions ouvertes sont réactivées, comme le temps de cohérence du condensat. Des applications sont développées, comme l’utilisation de la compression de spin et des états chats de Schrödinger en métrologie quantique. Des gaz homogènes sont préparés à une ou à deux dimensions, où il n’y a plus de condensation de Bose à la limite thermodynamique. Même la fameuse équation de Gross-Pitayevski sur le mode du condensat ne suffit plus. Il faut donc se replonger dans les théories d’antan et les étendre ; il faut en développer de nouvelles. C’est à cette aventure qu’invite cet ouvrage, en prenant toujours le parti de la simplicité. Issu d’enseignements donnés par l’auteur dans les écoles de physique des Houches et de Cargèse, enrichi de résultats non publiés, il est accessible à tout étudiant de master, enseignant, chercheur intéressé par les aspects fondamentaux de ce domaine plein de vitalité que sont les gaz quantiques. Chapitres du tome 1 : Statistique quantique et interaction. L’équation de Gross-Pitayevski. La théorie de Bogolioubov. Pulsations propres au-delà de Gross-Pitayevski. Préface de Claude Cohen-Tannoudji, prix Nobel de Physique 1997
Corrélations en impulsion dans la déplétion de gaz de Bose sur réseaux faiblement interagissant Ce travail de thèse est centré sur l'étude d'un exemple emblématique de système quantique en interaction, le gaz de Bose en interaction faible. A température nulle, la théorie de Bogoliubov prévoit que l'effet conjoint des interactions et des fluctuations quantiques retire une fraction des atomes du condensat de Bose-Einstein. Cette fraction est nommée déplétion quantique. Elle consiste en une superposition cohérente de paires d'atomes à impulsions opposées. La présence de ces paires découle du processus microscopique d'interaction à deux particules. Bien que cette prédiction date de 60 ans, ce manuscrit rapporte la première observation de ces corrélations entre impulsions opposées dans la déplétion d'un gaz de Bose en interaction faible. Pour ce faire, nous produisons des condensats de Bose-Einstein d'Hélium-4 métastable chargés dans des réseaux optiques. L'utilisation d'Hélium métastable rend possible la détection d'atomes individuels en trois dimensions après un long temps de vol, aspect essentiel à la mesure des corrélations entre particules individuelles dans l'espace des impulsions. Après avoir exposé plusieurs résultats visant à démontrer que notre technique de détection mesure fidèlement l'impulsion d'atomes individuels, nous présentons nos signaux de corrélations. Nous en étudions les principales caractéristiques (amplitude, largeur, évolution avec la température) afin d'illustrer la nature quantique du mécanisme de paire. Au delà de confirmer une prédiction théorique, ces résultats constituent un premier pas dans l'étude des systèmes quantiques à N corps à l'équilibre au travers des corrélations en impulsion et ouvrent la voie à des études de systèmes plus fortement corrélés. Pour finir, nous présentons des résultats préliminaires sur un sujet différent, la mesure du contact de Tan via la densité en impulsion dans des gaz de Bose unidimensionnels.
Ce mémoire présente une étude théorique des propriétés de localisation de gaz de Bose avec interactions faibles, en présence de désordre uni-dimensionnel. Nous abordons trois aspects de ces systèmes désordonnés. En premier lieu, nous étudions le cas d'un gaz sans interactions. Des résultats généraux stipulent que tous les états à une particule sont localisés en une dimension. Nous montrons que pour certaines classes de désordre corrélé, la dépendance de la longueur de localisation des atomes vis-à-vis de leur énergie est marquée par d'abruptes transitions à faible désordre. Ceci permet l'interprétation de résultats expérimentaux récents, au-delà des analyses précédentes. Dans un deuxième temps, nous étudions l'état fondamental d'un gaz avec interactions répulsives, et établissons un diagramme des états quantiques du système en fonction de l'amplitude du désordre et des interactions. Nous analysons les modulations de densité imposées au gaz par le désordre afin de décrire le passage du régime de condensat de Bose- Einstein délocalisé à celui de condensat fragmenté. Pour le régime des très faibles interactions, nous développons une description microscopique du système sur la base des états propres de basse énergie du hamiltonien à une particule. Ces résultats contribuent à la caractérisation de la phase de verre de Bose encore peu explorée aux faibles interactions. Enfin, nous étudions la localisation des excitations élémentaires du gaz de Bose dans le régime de (quasi-) condensat. Nous montrons que la localisation réduite des excitations de plus faible énergie est imputable à un écrantage efficace par le (quasi-) condensat des variations de grande longueur d'onde du potentiel extérieur.
Après leur prédiction par Einstein en 1925, les gaz condensés de Bose sont restés longtemps des vues de l’esprit car, par la faute d’interactions attractives, aucun système connu ne restait gazeux à suffisamment basse température pour en permettre l’observation. Mais des théories microscopiques ont été développées, comme celle très féconde de Bogolioubov en 1947, pour comprendre les effets d’une interaction modèle répulsive sur les propriétés statiques et dynamiques du gaz, dont la superfluidité. En 1995, coup de théâtre : les premiers condensats de Bose-Einstein gazeux sont réalisés avec des atomes froids d’alcalins au JILA et au MIT ; très peu denses, ces systèmes échappent temporairement à la solidification et sont en interaction effective répulsive. Plusieurs équipes s’engouffrent dans la brèche, y compris à l’ENS Ulm. Pour expliquer les premières observations, des approches macroscopiques simples suffisent. L’accent est mis sur les effets du piège harmonique absent des théories fondatrices. Cependant, les mesures s’affinent, et l’on trouve comment accéder aux propriétés intrinsèques du gaz homogène. Des questions ouvertes sont réactivées, comme le temps de cohérence du condensat. Des applications sont développées, comme l’utilisation de la compression de spin et des états chats de Schrödinger en métrologie quantique. Des gaz homogènes sont préparés à une ou à deux dimensions, où il n’y a plus de condensation de Bose à la limite thermodynamique. Même la fameuse équation de Gross-Pitayevski sur le mode du condensat ne suffit plus. Il faut donc se replonger dans les théories d’antan et les étendre ; il faut en développer de nouvelles. C’est à cette aventure qu’invite cet ouvrage, en prenant toujours le parti de la simplicité. Issu d’enseignements donnés par l’auteur dans les écoles de physique des Houches et de Cargèse, enrichi de résultats non publiés, il est accessible à tout étudiant de master, enseignant, chercheur intéressé par les aspects fondamentaux de ce domaine plein de vitalité que sont les gaz quantiques. Chapitres du tome 2 : La compression de spin et ses limites. Cohérence temporelle du condensat. Bogolioubov grand-canonique et ordre de Wu. Cas de la dimensionalité réduite. Préface de Claude Cohen-Tannoudji, prix Nobel de Physique 1997
Ce mémoire de thèse décrit les propriétés d'un gaz de Fermi dégénéré en interaction forte. Tout d'abord, nous étudions d'un point de vue théorique la limite au refroidissement d'un gaz de fermions imposée par l'existence de pertes d'atomes. Un gaz de lithium fermionique 6Li est ensuite étudié au voisinage d'une résonance de Feshbach en onde s. En changeant le champ magnétique, on peut contrôler le signe et la force des interactions effectives entre atomes. Nous montrons la formation efficace de molécules faiblement liées constituées de deux fermions. Ces résultats sont interprétés par un modèle d'équilibre thermodynamique entre atomes et molécules. Le principe de Pauli confère à ces bosons composites une extraordinaire stabilité proche du pic de la résonance. Cette propriété nous a permis de produire un condensat de Bose-Einstein (BEC) de molécules et de mesurer l'interaction entre les molécules à basse température. En augmentant le champ magnétique au-delà de la résonance de Feshbach, on s'attend à ce que le gaz, à basse température, subisse une transition de phase de type BCS (Bardeen, Cooper, Shrieffer) analogue à la transition supraconductrice dans les métaux. Proche de résonance, le gaz est un système à N-corps en interaction forte, difficile à traiter théoriquement. Expérimentalement, nous avons étudié l'expansion du gaz dans cette région qui correspond à la transition entre un condensat de molécules et une phase BCS. Enfin, nous avons caractérisé le comportement des pertes au voisinage de résonances de Feshbach en onde p.
La premiere partie de ce memoire rappelle les principales proprietes des condensats de bose-einstein tels qu'ils sont realises experimentalement depuis 1995 dans les gaz alcalins dilues et magnetiquement pieges. L'approche theorique standard de bogoliubov, reposant sur l'hypothese d'une brisure de symetrie u(1) dans le systeme, y est discutee. L'accent est alors mis dans la deuxieme partie sur les consequences dynamiques de cette hypothese et en particulier sur l'existence d'un brouillage de la phase du condensat se traduisant par une perte des proprietes de coherence du systeme. La derivation systematique du temps de coherence au bout duquel le brouillage de phase se produit est entreprise pour les cas d'un condensat seul et de deux condensats couples, a l'equilibre ou hors-equilibre. La troisieme partie de ce memoire est consacree a l'etude dynamique d'un condensat a l'interieur d'un potentiel de type creneau. Une integration numerique de l'equation de gross-pitaevskii dependant du temps en dimension 1 et 2 est realisee. En variant la valeur du parametre non lineaire (traduisant les interactions entre atomes) l'influence des nonlinearites sur le comportement du systeme est analysee. Nous montrons ainsi comment en augmentant la valeur de ce parametre, la fonction d'onde macroscopique passe d'une dynamique reguliere, caracterisee par une suite de renaissances non lineaires, a une dynamique stochastique ou seules subsistent des rennaissances de dynamique reguliere. La quatrieme partie modelise une experience de melange a quatre ondes dans le contexte des ondes de matiere. Analysant le mecanisme physique de l'experience deja realisee avec des bosons, nous montrons comment adapter cette experience pour un melange fermions/bosons ou une onde fermionique incidente est envoyee sur un reseau de bosons condenses.