Phénomènes irréversibles au sein d'un gaz quantique

Armin Uhlmann

Martin Robert-De-Saint-Vincent

La découverte du refroidissement par laser de gaz dilués a permis depuis les années 1980 de s'approcher au plus prèsdu zéro absolu en température. Les gaz d'atomes froids permettent d’étudier des comportements collectifs au sein dumonde quantique, comme il en existe dans la nature par exemple pour les électrons – déterminant la conductiond’électricité ou le magnétisme. Au LPL, les atomes froids permettent de jeter un nouveau regard sur le magnétisme.

P. Jordan

J.-B. Bru

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.

Giulio Bertoli

Localisation à N-corps de bosons désordonnés à deux dimensions Au sein de physique des systèmes quantiques désordonnés, le domaine des atomes ultra-froids est en pleine croissance. En l’occurrence, l'étude de la relation entre la localisation et les interactions a permis de découvrir la richesse de la physique de la localisation à N-corps. Ce phénomène remarquable fournit un mécanisme pour la brisure de l'ergodicité dans les systèmes quantiques isolés et désordonnés. Plusieurs questions ont été évoquées après cette découverte, comme la possibilité d'une transition fluide-isolant à température finie. Dans cette thèse, j'étudie la localisation à N-corps dans le contexte de bosons désordonnés à deux dimensions. Dans la première partie, je présente l'étude d'un gaz interactif de Bose bidimensionnel dans un potentiel aléatoire à température finie. Le système présente deux transitions à température finie: la transition de localisation à N-corps entre fluide et isolant, et la transition de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless entre superfluide algébrique et fluide. J'examine ensuite l'influence de la troncature de la distribution d'énergie dû au piégeage, un phénomène générique dans le cadre du refroidissement d'atomes ultra-froids. Finalement, je conclus en discutant la stabilité de la phase isolante dans des systèmes définis sur un continuum.

C. Comte