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Spectroscopie en impulsion des fluctuations de phase dans des condensats de Bose-Einstein très allongés

S. Richard

Published Dec 12, 2003• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Dans ce mémoire nous décrivons une expérience de mesure des fluctuations de phase dans des condensats de Bose-Einstein très allongés. Les condensats de Bose-Einstein sont habituellement décrits comme des objets totalement cohérents. Cela est valable dans le cas de condensats peu anisotropes. En revanche, cela n'est plus exact dans des cas très anisotropes, en particulier pour des condensats très allongés dont les états excités de basse énergie sont 1D, et peuvent donc être très peuplés thermiquement même à basse température. Cette population d'excitations de faible énergie résulte en des fluctuations de la phase, et donc en une réduction de la longueur de cohérence du condensat dans la direction allongée, tandis que son profil de densité n'est pas perturbé. On parle alors de quasi-condensat. Pour mesurer les fluctuations de phase, nous utilisons la spectroscopie de Bragg. Cette méthode donne accès à la distribution en impulsion des atomes du quasi-condensat, et donc par transformée de Fourier, à sa fonction de corrélation. On peut ainsi en déduire sa longueur de cohérence. Nos mesures montrent une distribution en impulsion lorentzienne, dont la largeur augmente avec la température. Cela signifie que nous observons une perte de cohérence, à mesure que la température augmente, en accord quantitatif avec les prédictions théoriques. Nous étudions également le profil de densité des quasi-condensats. Aucune différence avec le cas de condensats cohérents n'a pu être mesurée, ce qui confirme l'absence de fluctuations de densité importantes dans les quasi-condensats.

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Condensats de Bose-Einstein dans un piège anisotrope

Fabrice Gerbier

Dans ce mémoire, nous présentons trois études effectuées sur un condensat de Bose-Einstein dans un piège très anisotrope. Nous nous intéressons en premier lieu au comportement du nuage thermique à des température proches de la température critique. Nous mettons en particulier en évidence un décalage de la température critique et une réduction de la fraction condensée dûs aux interactions, en bon accord avec une description de type Hartree-Fock du nuage mixte. Dans une seconde partie, nous étudions théoriquement et expérimentalement le taux d'extraction et le mode spatial d'un laser à atomes extrait du condensat par un coupleur radio-fréquence. Nous concluons que les interactions sont en grande partie responsables de la divergence observée. Enfin, nous consacrons un part importante de ce mémoire à l'étude des fluctuations de phase dans un (quasi-)condensat très allongé, étude basée sur la mesure de la distribution en impulsion par spectroscopie de Bragg. Nous mettons en évidence que la distribution en impulsion devient Lorentzienne en présence de fluctuations de phase importantes. Nos mesures de la largeur en impulsion, et l'observation de fluctuations de densité fortement réduites par rapport à une distribution thermique "ordinaire", confirment la validité de l'approche de Bogoliubov pour décrire les quasi-condensats en dimensionnalité réduite.

•Sep 9, 2003•0 citations

Etude des propriétés de cohérence d'un condensat de Bose-Einstein à l'équilibre et hors équilibre : longueur de cohérence d'un condensat de Bose-Einstein très allongé

Mathilde Fouché

Le condensat de Bose-Einstein, equivalent atomique du laser en optique, est habituellement considere comme un objet completement coherent. Mais ceci n'est verifie que dans le cas de systemes peu anisotropes. Pour des condensats fortement allonges, des fluctuations de phase apparaissent suivant l'axe long, ce qui implique une reduction de la longueur de coherence de ces condensats. On parle alors de quasi-condensat. Dans ce memoire, nous presentons deux etudes experimentales portant sur la coherence de condensats tres allonges. La premiere etude a ete realisee sur des condensats a l'equilibre. La mesure de la longueur de coherence a ete effectuee par l'intermediaire de la mesure de la fonction de correlation a l'aide d'une methode interferometrique. Nos resultats montrent la transition entre un condensat coherent et un quasi-condensat, avec une longueur de coherence diminuant avec l'augmentation de l'amplitude des fluctuations de phase. Nous avons par ailleurs observe le passage d'une forme gaussienne a une forme exponentielle pour la fonction de correlation. La deuxieme etude a porte sur la formation du condensat avec plus particulierement l'etude de la cinetique de formation de la coherence en phase. Nos resultats montrent tout d'abord une montee de la fraction condensee qualitativement identique a celle des condensats 3D sans fluctuation de phase. Enfin, nous avons mesure la longueur de coherence au cours de cette formation a l'aide de la spectroscopie de Bragg. Nos resultats montrent un etablissement de la coherence rapide compare au temps de mise a l'equilibre de la fraction condensee.

•Jan 1, 2005•0 citations

Condensat de Bose-Einstein dans un piège anisotrope. Cohérence en phase et propriétés thermodynamiques

Fabrice Gerbier

Cet ouvrage s'intéresse aux propriétés d'un condensat de Bose-Einstein atomique dans un piège très anisotrope. Après une brève introduction théorique, nous présentons succinctement le dispositif et les techniques expérimentales qui ont permis de réaliser ces travaux, en insistant particulièrement sur l'analyse des images du nuage atomique ultrafroid après temps de vol. Nous nous intéressons ensuite au comportement du nuage thermique à des température proches de la température critique. Nous mettons en particulier en évidence un décalage de la température critique et une réduction de la fraction condensée dus aux interactions, en bon accord avec une description de type Hartree-Fock du nuage mixte. Enfin, nous consacrons un part importante de cet ouvrage à l'étude des fluctuations de phase dans un condensat très allongé (“quasi-1D”), étude basée sur la mesure de la distribution en impulsion par spectroscopie de Bragg. Nous montrons expérimentalement et théoriquement qu'en présence de fluctuations de phase importantes, la distribution en impulsion est très proche d'une lorentzienne, et notablement élargie par rapport à la distribution étroite et quasiment gaussienne attendue pour un vrai condensat. Nos mesures de la largeur en impulsion, et l'observation de fluctuations de densité fortement réduites par rapport à une distribution thermique “ordinaire”, confirment ainsi la validité de l'approche de Bogoliubov pour décrire les quasi-condensats en dimensionnalité réduite.

Annales de Physique•Jan 1, 2004•6 citations

Etude des propriétés de cohérence d'un condensat de Bose-Einstein à l'équilibre et hors équilibre

Mathilde Fouché

Le condensat de Bose-Einstein, équivalent atomique du laser en optique, est habituellement considéré comme un objet complètement cohérent. Mais ceci n'est vérifié que dans le cas de systèmes peu anisotropes. Pour des condensats fortement allongés, des fluctuations de phase apparaissent suivant l'axe long, ce qui implique une réduction de la longueur de cohérence de ces condensats. On parle alors de quasi-condensat. Dans ce mémoire, nous présentons deux études expérimentales portant sur la cohérence de condensats très allongés. La première étude a été réalisée sur des condensats à l'équilibre. La mesure de la longueur de cohérence a été effectuée par l'intermédiaire de la mesure de la fonction de corrélation à l'aide d'une méthode interférométrique. Nos résultats montrent la transition entre un condensat cohérent et un quasi-condensat, avec une longueur de cohérence diminuant avec l'augmentation de l'amplitude des fluctuations de phase. Nous avons par ailleurs observé le passage d'une forme gaussienne à une forme exponentielle pour la fonction de corrélation. La deuxième étude a porté sur la formation du condensat avec plus particulièrement l'étude de la cinétique de formation de la cohérence en phase. Nos résultats montrent tout d'abord une montée de la fraction condensée qualitativement identique à celle des condensats 3D sans fluctuation de phase. Enfin, nous avons mesuré la longueur de cohérence au cours de cette formation à l'aide de la spectroscopie de Bragg. Nos résultats montrent un établissement de la cohérence rapide comparé au temps de mise à l'équilibre de la fraction condensée.

•Oct 10, 2005•0 citations

Condensats de Bose-Einstein et lasers à atomes

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Les condensats de Bose-Einstein d'atomes en phase gazeuse obtenus dans des pièges magnétiques consistent en une accumulation macroscopique d'atomes dans la même fonction d'onde. Ils représentent donc un analogue pour l'optique atomique à des photons piégés dans une cavité laser en optique photonique. Tout comme en optique, afin d'utiliser ceux-ci comme source cohérente, il convient de les faire sortir de la cavité de façon contrôlée. Nous procédons par application d'un champ radiofréquence de faible amplitude. Les atomes sont alors faiblement couplés vers un état interne non piégé magnétiquement et tombent sous l'effet de la gravité. On obtient ainsi un flux cohérent et continu d'onde de matière jusqu'à épuisement du condensat de Bose-Einstein qui en est la source. Nous étudions les propriétés transverses des faisceaux atomiques ainsi produits ou << lasers à atomes >>. En particulier, nous observons et mesurons la divergence du jet d'atomes pour différents paramètres expérimentaux. Une théorie à base de matrices ABCD analogue à celle de l'optique photonique permet d'obtenir un bon accord avec les données expérimentales. Nous constatons que les effets dominants sont les interactions entre le condensat de Bose-Einstein source et les atomes du laser atomique. Ceci constitue une différence profonde avec le cas des photons. Nous réalisons finalement des figures d'interférences entre différents lasers atomiques issus d'un même condensat de Bose-Einstein. Les interférogrammes obtenus sont qualitativement et quantitativement bien décrit par une théorie adaptée de celle de l'optique de Fourier cohérente.

•Dec 13, 2002•0 citations

Croissance de la phase et propriétés de transport en présence de désordre d'un condensat de Bose-Einstein

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Les condensats de Bose-Einstein presentent deux caracteristiques fondamentales a partir desquelles decoulent toutes leurs proprietes. D’un cote ils sont superfluides, c’est a dire ils ne presentent aucune viscosite qui s’oppose a leur mouvement et d’autre part il presentent une coherence de phase sur toute leur extension spatiale. Au cours de cette these nous avons etudie ces deux aspects du point de vue du transport du condensat a travers d’un potentiel rugueux et de l’evolution de la longueur de correlation au cours de la formation du condensat. Grâce a des potentiels aleatoires crees par des tavelures d’un laser, nous avons etudie l’inhibition du transport unidimensionnel d’un condensat en expansion. Dans notre cas, le condensat se caracterise par des interactions importantes qui avec la statistique de modulation du potentiel dictent les conditions pour que la dynamique du condensat devienne du piegeage. Grâce a la spectroscopie de bragg nous avons etudie les distributions d’impulsion des quasi-condensats a differents instants de leur formation. A partir de la largeur de la distribution d’impulsion nous deduisons la longueur de correlation qui est reliee a la taille des domaines dans lequels la phase du quasi-condensat varie peu. Nous avons observe que la croissance de la phase ne presente pas de delais vis a vis de la croissance du condensat.

•Jan 1, 2007•0 citations
Dans ce mémoire nous décrivons une expérience de mesure des fluctuations de phase dans des condensats de Bose-Einstein très allongés. Les condensats de Bose-Einstein sont habituellement décrits comme des objets totalement cohérents. Cela est valable dans le cas de condensats peu anisotropes. En revanche, cela n'est plus exact dans des cas très anisotropes, en particulier pour des condensats très allongés dont les états excités de basse énergie sont 1D, et peuvent donc être très peuplés thermiquement même à basse température. Cette population d'excitations de faible énergie résulte en des fluctuations de la phase, et donc en une réduction de la longueur de cohérence du condensat dans la direction allongée, tandis que son profil de densité n'est pas perturbé. On parle alors de quasi-condensat. Pour mesurer les fluctuations de phase, nous utilisons la spectroscopie de Bragg. Cette méthode donne accès à la distribution en impulsion des atomes du quasi-condensat, et donc par transformée de Fourier, à sa fonction de corrélation. On peut ainsi en déduire sa longueur de cohérence. Nos mesures montrent une distribution en impulsion lorentzienne, dont la largeur augmente avec la température. Cela signifie que nous observons une perte de cohérence, à mesure que la température augmente, en accord quantitatif avec les prédictions théoriques. Nous étudions également le profil de densité des quasi-condensats. Aucune différence avec le cas de condensats cohérents n'a pu être mesurée, ce qui confirme l'absence de fluctuations de densité importantes dans les quasi-condensats.
Dans ce mémoire, nous présentons trois études effectuées sur un condensat de Bose-Einstein dans un piège très anisotrope. Nous nous intéressons en premier lieu au comportement du nuage thermique à des température proches de la température critique. Nous mettons en particulier en évidence un décalage de la température critique et une réduction de la fraction condensée dûs aux interactions, en bon accord avec une description de type Hartree-Fock du nuage mixte. Dans une seconde partie, nous étudions théoriquement et expérimentalement le taux d'extraction et le mode spatial d'un laser à atomes extrait du condensat par un coupleur radio-fréquence. Nous concluons que les interactions sont en grande partie responsables de la divergence observée. Enfin, nous consacrons un part importante de ce mémoire à l'étude des fluctuations de phase dans un (quasi-)condensat très allongé, étude basée sur la mesure de la distribution en impulsion par spectroscopie de Bragg. Nous mettons en évidence que la distribution en impulsion devient Lorentzienne en présence de fluctuations de phase importantes. Nos mesures de la largeur en impulsion, et l'observation de fluctuations de densité fortement réduites par rapport à une distribution thermique "ordinaire", confirment la validité de l'approche de Bogoliubov pour décrire les quasi-condensats en dimensionnalité réduite.
Le condensat de Bose-Einstein, equivalent atomique du laser en optique, est habituellement considere comme un objet completement coherent. Mais ceci n'est verifie que dans le cas de systemes peu anisotropes. Pour des condensats fortement allonges, des fluctuations de phase apparaissent suivant l'axe long, ce qui implique une reduction de la longueur de coherence de ces condensats. On parle alors de quasi-condensat. Dans ce memoire, nous presentons deux etudes experimentales portant sur la coherence de condensats tres allonges. La premiere etude a ete realisee sur des condensats a l'equilibre. La mesure de la longueur de coherence a ete effectuee par l'intermediaire de la mesure de la fonction de correlation a l'aide d'une methode interferometrique. Nos resultats montrent la transition entre un condensat coherent et un quasi-condensat, avec une longueur de coherence diminuant avec l'augmentation de l'amplitude des fluctuations de phase. Nous avons par ailleurs observe le passage d'une forme gaussienne a une forme exponentielle pour la fonction de correlation. La deuxieme etude a porte sur la formation du condensat avec plus particulierement l'etude de la cinetique de formation de la coherence en phase. Nos resultats montrent tout d'abord une montee de la fraction condensee qualitativement identique a celle des condensats 3D sans fluctuation de phase. Enfin, nous avons mesure la longueur de coherence au cours de cette formation a l'aide de la spectroscopie de Bragg. Nos resultats montrent un etablissement de la coherence rapide compare au temps de mise a l'equilibre de la fraction condensee.
Cet ouvrage s'intéresse aux propriétés d'un condensat de Bose-Einstein atomique dans un piège très anisotrope. Après une brève introduction théorique, nous présentons succinctement le dispositif et les techniques expérimentales qui ont permis de réaliser ces travaux, en insistant particulièrement sur l'analyse des images du nuage atomique ultrafroid après temps de vol. Nous nous intéressons ensuite au comportement du nuage thermique à des température proches de la température critique. Nous mettons en particulier en évidence un décalage de la température critique et une réduction de la fraction condensée dus aux interactions, en bon accord avec une description de type Hartree-Fock du nuage mixte. Enfin, nous consacrons un part importante de cet ouvrage à l'étude des fluctuations de phase dans un condensat très allongé (“quasi-1D”), étude basée sur la mesure de la distribution en impulsion par spectroscopie de Bragg. Nous montrons expérimentalement et théoriquement qu'en présence de fluctuations de phase importantes, la distribution en impulsion est très proche d'une lorentzienne, et notablement élargie par rapport à la distribution étroite et quasiment gaussienne attendue pour un vrai condensat. Nos mesures de la largeur en impulsion, et l'observation de fluctuations de densité fortement réduites par rapport à une distribution thermique “ordinaire”, confirment ainsi la validité de l'approche de Bogoliubov pour décrire les quasi-condensats en dimensionnalité réduite.
Le condensat de Bose-Einstein, équivalent atomique du laser en optique, est habituellement considéré comme un objet complètement cohérent. Mais ceci n'est vérifié que dans le cas de systèmes peu anisotropes. Pour des condensats fortement allongés, des fluctuations de phase apparaissent suivant l'axe long, ce qui implique une réduction de la longueur de cohérence de ces condensats. On parle alors de quasi-condensat. Dans ce mémoire, nous présentons deux études expérimentales portant sur la cohérence de condensats très allongés. La première étude a été réalisée sur des condensats à l'équilibre. La mesure de la longueur de cohérence a été effectuée par l'intermédiaire de la mesure de la fonction de corrélation à l'aide d'une méthode interférométrique. Nos résultats montrent la transition entre un condensat cohérent et un quasi-condensat, avec une longueur de cohérence diminuant avec l'augmentation de l'amplitude des fluctuations de phase. Nous avons par ailleurs observé le passage d'une forme gaussienne à une forme exponentielle pour la fonction de corrélation. La deuxième étude a porté sur la formation du condensat avec plus particulièrement l'étude de la cinétique de formation de la cohérence en phase. Nos résultats montrent tout d'abord une montée de la fraction condensée qualitativement identique à celle des condensats 3D sans fluctuation de phase. Enfin, nous avons mesuré la longueur de cohérence au cours de cette formation à l'aide de la spectroscopie de Bragg. Nos résultats montrent un établissement de la cohérence rapide comparé au temps de mise à l'équilibre de la fraction condensée.
Les condensats de Bose-Einstein d'atomes en phase gazeuse obtenus dans des pièges magnétiques consistent en une accumulation macroscopique d'atomes dans la même fonction d'onde. Ils représentent donc un analogue pour l'optique atomique à des photons piégés dans une cavité laser en optique photonique. Tout comme en optique, afin d'utiliser ceux-ci comme source cohérente, il convient de les faire sortir de la cavité de façon contrôlée. Nous procédons par application d'un champ radiofréquence de faible amplitude. Les atomes sont alors faiblement couplés vers un état interne non piégé magnétiquement et tombent sous l'effet de la gravité. On obtient ainsi un flux cohérent et continu d'onde de matière jusqu'à épuisement du condensat de Bose-Einstein qui en est la source. Nous étudions les propriétés transverses des faisceaux atomiques ainsi produits ou << lasers à atomes >>. En particulier, nous observons et mesurons la divergence du jet d'atomes pour différents paramètres expérimentaux. Une théorie à base de matrices ABCD analogue à celle de l'optique photonique permet d'obtenir un bon accord avec les données expérimentales. Nous constatons que les effets dominants sont les interactions entre le condensat de Bose-Einstein source et les atomes du laser atomique. Ceci constitue une différence profonde avec le cas des photons. Nous réalisons finalement des figures d'interférences entre différents lasers atomiques issus d'un même condensat de Bose-Einstein. Les interférogrammes obtenus sont qualitativement et quantitativement bien décrit par une théorie adaptée de celle de l'optique de Fourier cohérente.
Les condensats de Bose-Einstein presentent deux caracteristiques fondamentales a partir desquelles decoulent toutes leurs proprietes. D’un cote ils sont superfluides, c’est a dire ils ne presentent aucune viscosite qui s’oppose a leur mouvement et d’autre part il presentent une coherence de phase sur toute leur extension spatiale. Au cours de cette these nous avons etudie ces deux aspects du point de vue du transport du condensat a travers d’un potentiel rugueux et de l’evolution de la longueur de correlation au cours de la formation du condensat. Grâce a des potentiels aleatoires crees par des tavelures d’un laser, nous avons etudie l’inhibition du transport unidimensionnel d’un condensat en expansion. Dans notre cas, le condensat se caracterise par des interactions importantes qui avec la statistique de modulation du potentiel dictent les conditions pour que la dynamique du condensat devienne du piegeage. Grâce a la spectroscopie de bragg nous avons etudie les distributions d’impulsion des quasi-condensats a differents instants de leur formation. A partir de la largeur de la distribution d’impulsion nous deduisons la longueur de correlation qui est reliee a la taille des domaines dans lequels la phase du quasi-condensat varie peu. Nous avons observe que la croissance de la phase ne presente pas de delais vis a vis de la croissance du condensat.