Le Conseil Européen de la Recherche a lancé en 2012 un appel d’offres baptisé Synergy, dont le but est de favoriser une recherche collaborative entre quelques groupes de recherche européens. Notre équipe, qui travaille actuellement au Laboratoire Kastler Brossel sur les condensats de Bose-Einstein, a la chance de figurer dans la liste des onze consortiums lauréats sur un thème qui peut paraître un peu mystérieux : la matière quantique ultra-froide.Au point de départ de ce projet se trouve l’...
Le Conseil Européen de la Recherche a lancé en 2012 un appel d’offres baptisé Synergy, dont le but est de favoriser une recherche collaborative entre quelques groupes de recherche européens. Notre équipe, qui travaille actuellement au Laboratoire Kastler Brossel sur les condensats de Bose-Einstein, a la chance de figurer dans la liste des onze consortiums lauréats sur un thème qui peut paraître un peu mystérieux : la matière quantique ultra-froide.Au point de départ de ce projet se trouve l’...
Les gaz de Fermi ultra-froids : une expérience de nouvelle génération et la physique d'une impureté Une partie de la thèse porte sur la description d’une expérience de nouvelle génération construite au sein de l’équipe des gaz de fermions ultra-froids au laboratoire Kastler Brossel. Les étapes expérimentales qui mènent à la réalisation et la caractérisation d’un superfluide fermionique sont décrites ainsi que les principes physiques derrière ces méthodes qui sont bien établies dans le domaine. La deuxième partie porte sur deux études théoriques concernant la physique d’une impureté. Lorsqu’une impureté s’introduit dans un milieu en interaction, son énergie présente des divergences logarithmiques dans son développement perturbatif. Nous utilisons la méthode des fonctions de Green pour comprendre les processus fondamentaux à l’origine de ces divergences. Pour le deuxième projet, on étudie le diagramme de phase d’une impureté immergée dans une double mer de Fermi sans interactions. Nous utilisons une méthode variationnelle pour montrer qu’il existe une transition de phase du premier degré entre la limite de faible interaction impureté-fermion où une quasi-particule appelée le polaron est présente et la limite des interactions plus fortes où existe un état lié de trois particules, appelé un trimer, proche de la surface de Fermi.
Ce manuscrit présente le travail réalisé dans le cadre de ma thèse dans l'équipe Atomes Froids du laboratoire CAR de l'université Toulouse III Paul Sabatier. L'un des projets de recherche de cette équipe est l'étude du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau optique modulé en temps et notamment l'étude de l'impact du chaos à la limite classique sur le comportement quantique d'une particule. L'objectif de mon travail est de développer les outils nécessaires à cette étude. La première étape a été de construire l'ensemble du dispositif expérimental de l'équipe, qui est opérationnel depuis mai 2015. Nous présenterons donc ce dispositif ainsi que les techniques de refroidissement que nous avons mises en place. La suite du manuscrit est consacrée à l'étude du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau optique créé par l'interférence constructive de deux faisceaux laser contra-propageants. Le potentiel ainsi créé peut être contrôlé dynamiquement via la puissance et la phase relative des deux faisceaux. Mon travail s'est surtout concentré sur le contrôle de la phase relative. Nous avons notamment développé une nouvelle méthode de calibration qui repose sur l'analyse de la micro-oscillation d'une chaine de condensats après un décalage spatial quasi- instantané du réseau. Cette méthode présente l'avantage d'être très robuste vis-à-vis des interactions, du potentiel de confinement extérieur ainsi que des anharmonicités du potentiel périodique. L'étude du micro-mouvement des atomes a aussi permis de mettre en évidence la présence d'un effet tunnel qui se manifeste au cours de la micro-oscillation. La signature de cet effet tunnel dans l'espace des impulsions après temps de vol nous donne la possibilité de faire une mesure directe du temps de traversée tunnel et d'en étudier les propriétés. La dernière partie du manuscrit est consacrée à l'étude préliminaire du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau renormalisé par modulation de phase. Suivant le régime de modulation, nous pouvons renormaliser la profondeur ou le taux tunnel entre chaque puits du réseau. Dans ce dernier cas, nous voyons émerger un nouvel état d'équilibre appelé staggered state. La dynamique de formation de cet état est complexe car le chauffage dû à la modulation doit être pris en compte. Nous présenterons donc les résultats préliminaires de cette étude.
Un domaine scientifique d'une exceptionnelle vitalitéC'est en 2004 qu'est née l'idée de rassembler toutes les équipes travaillant sur les atomes froids dans la région parisienne, ce domaine avait déjà une vingtaine d'années d'existence et se développait à vive allure dans le monde entier.Le Laboratoire Kastler Brossel (le LKB) à l'École normale supérieure (ENS) y a joué un rôle de pionnier pour la France.Autour de Claude Cohen-Tannoudji, professeur au Collège de France, s'est constituée une équipe regroupant Jean Dalibard, Christophe Salomon, Alain Aspect, qui tous ensemble se sont lancés dans le domaine durant les années 80. Le renouveau spectaculaire de la physique atomique apporté par les atomes froids attira de plus en plus de jeunes brillants chercheurs à l'ENS, où se constitua bientôt une école de recherche réputée, très en prise avec les groupes du monde entier investis dans le même domaine.Le concept du piège magnétooptique y fut élaboré, bientôt adopté comme l'outil universel pour les gaz refroidis et piégés par la lumière laser ; les températures anormalement basses qui y étaient mesurées trouvèrent une explication.Le domaine connut une véritable explosion après 1995 quand la condensation de Bose-Einstein fut enfin réalisée expérimentalement aux États-Unis, puis ensuite en France.Et le prix Nobel octroyé à Claude Cohen-Tannoudji en 1997, en même temps qu'à ses amis Bill Phillips et Steven Chu, augmenta encore le prestige du domaine.Pourtant la recherche sur les atomes froids ne resta pas cantonnée à l'ENS.Alain Aspect quitta le LKB en 1993 pour se lancer dans l'aventure à Orsay, rejoint par son élève Philippe Grangier avec lequel il créa un nouveau laboratoire à l'Institut d'Optique.De nombreux jeunes chercheurs formés à l'école de Claude Cohen-Tannoudji commencèrent à essaimer vers d'autres établissements, pour beaucoup dans la région parisienne.Ainsi, Pierre Pillet rejoignit le Laboratoire Aimé Cotton à Orsay, Hélène Perrin s'installa au Laboratoire de Physique des Lasers à Paris-Nord, et d'anciens doctorants du LKB comme Pierre Lemonde ou Franck Pereira-dos-Santos allaient à l'Observatoire de Paris développer des instruments de métrologie à atomes froids.Tous ces jeunes chercheurs issus de l'ENS développèrent à leur tour des équipes vers lesquelles affluèrent de très nombreux doctorants et des postdoctorants issus de nombreux pays, tout particulièrement d'Allemagne.La communauté francilienne était suffisamment petite pour que tous les chercheurs permanents se connaissent et suffisamment concentrée en île-de-France pour que la communication s'installe facilement entre les équipes.
Transport d’atomes ultra-froids et couplage à des surfaces nano-structurées L'entrée dans le nouveau millénaire a été marquée dans la communauté quantique par les premières réalisations expérimentales de la condensation de Bose-Einstein d'atomes dans un gaz, obtenues par différents groupes de recherche. Vingt-cinq années plus tard, de tels systèmes sont produits régulièrement et sont au cœur de nombreuses expériences. À la frontière entre la théorie de la matière condensée, l'optique quantique et la physique atomique, l'étude des atomes ultra-froids est un sujet scientifiquement très prometteur.Un gaz ultra-froid peut être piégé dans des réseaux optiques, offrant ainsi un moyen réaliste de mettre expérimentalement en place une nouvelle gamme d'Hamiltonien périodiques, utilisés pour simuler la matière condensée. Dans de telles simulations, des atomes ultra-froids imitent le comportement des électrons dans un matériau à l'état solide et pourraient être utilisés pour simuler une large gamme de phénomènes complexes en matière condensée, tels que l'effet Hall quantique fractionnaire, les isolants topologiques et la supraconductivité à température ambiante.Afin d'étudier de tels systèmes, des microscopes à gaz quantiques, limités par la diffraction, ont émergé comme un moyen de manipuler et de détecter les atomes piégés dans des potentiels périodiques. Utilisant l'interférence en champ lointain, les expériences ont principalement été limitées à des réseaux ayant des périodes proche de 500 nm, ce qui limite la vitesse de la dynamique des processus physiques étudiés. Les régimes d'énergie plus élevés pourraient être atteints en réduisant la période du réseau.Pour ce faire, l'un des objectifs à long terme de l'équipe est de piéger des atomes dans le champ proche d'une surface et d'utiliser les forces de Casimir-Polder pour façonner des potentiels sub-longueur d'onde. Grâce aux capacités de nano-fabrication, l'espacement entre les sites peut être réduit à quelques dizaines de nanomètres. Cependant, cela nécessite d'adapter les techniques d'imagerie pour observer les atomes avec des résolutions spatiales sub-longueur d'onde.Dans ce manuscrit de thèse, je rapporte dans un premier temps les avancées vers la mise en place d'une puce atomique sur l'expérience AUFRONS, qui servira de plateforme pour manipuler le gaz quantique. Je présente des simulations numériques et étudie une solution expérimentale permettant de transporter le nuage jusqu'au champ proche. La méthode est basée sur l'interférence d'un rayonnement laser dans le champ proche d'une surface en rotation. Celle-ci a été entièrement simulée et les limites ont été évaluées numériquement et expérimentalement. Je conclus cette partie en présentant le premier modèle de puce qui a été fabriqué.Dans une seconde partie, je détaille le développement d'une méthode d'imagerie sub-longueur d'onde d'atomes ultra-froids de Rubidium 87 basée sur l'habillage des états excités. J’approfondis le concept de cette méthode atteignant des résolutions spatiales nanométriques et l'applique pour résoudre la fonction d'onde de taille inférieur à 30 nm, piégée dans un site unique d'un réseau optique.
Les physiciens savent produire des gaz à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. Les méthodes de refroidissement s’appliquent non seulement aux atomes mais aussi aux ions et aux molécules. Ce domaine de recherche a été couronné deux fois par le prix Nobel. Il s’est extraordinairement enrichi depuis que l’on sait faire varier à volonté les interactions entre les particules et piéger celles-ci avec des pinces optiques ou dans des réseaux optiques à la géométrie ajustable. On édifie ainsi des cristaux artificiels formés d’atomes ou de molécules qui peuvent simuler la structure de la matière et élucider certaines de ses propriétés magnétiques, avec la perspective d’expliquer un jour la supraconductivité à haute température. Le phénomène d’intrication quantique est à la base de nouveaux dispositifs pour le stockage et la transmission de l’information quantique. Des progrès spectaculaires sont constamment enregistrés en métrologie. Ainsi des horloges à atomes ou à ions ultrafroids mesurent le temps à mieux qu’une seconde sur la durée de l’Univers. Des gravimètres et gyromètres industriels d’un type nouveau améliorent la sensibilité de la sismologie et la navigation dans l’espace. En outre, l’extrême précision des mesures permet de tester les lois fondamentales de la physique, par exemple l’électrodynamique quantique, l’invariance de Lorentz ou les éventuelles variations des constantes fondamentales. Le domaine des particules ultrafroides rejoint aujourd’hui ceux de la matière condensée, de la chimie et même de la cosmologie. Robin Kaiser est directeur de recherche CNRS à l’Institut de physique de Nice à l’université de la Côte d’Azur. Michèle Leduc est directrice de recherche CNRS émérite au Laboratoire Kastler-Brossel à l’École normale supérieure à Paris. Hélène Perrin est directrice de recherche au Laboratoire de physique des lasers à l’université Sorbonne Paris Nord.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.