Un condensat de paires dans un gaz tridimensionnel de fermions de spin 1/2 isolé, homogène, non polarisé, de taille finie et de température extrêmement basse, mais non nulle, subit au cours du temps un changement de phase θ ˆ ( t ) − θ ˆ ( 0 ) avec une composante aléatoire, ne serait-ce que par couplage aux phonons thermiques du gaz. À l'aide de la seconde relation de Josephson quantique reliant d θ ˆ / d t aux opérateurs nombres d'occupation des modes de phonons et d'équations cinétiques linéarisées donnant l'évolution des fluctuations des nombres d'occupation, nous accédons au comportement de la variance Var [ θ ˆ ( t ) − θ ˆ ( 0 ) ] de ce déphasage aux temps longs devant le temps de collision des phonons. Le cas où la branche de phonons est de départ convexe ressemble à celui du gaz de bosons : les processus collisionnels dominants sont ceux à trois phonons de Beliaev–Landau, si bien que la variance est la somme d'un terme balistique C t 2 et d'un terme diffusif avec retard 2 D ( t − t 0 ) , dont nous donnons les expressions analytiques à la limite thermodynamique. Le cas concave est beaucoup plus exotique. Nous l'analysons aux échelles de temps courtes devant T − 9 , ce qui permet de garder comme seuls processus collisionnels ceux 2 phonons → 2 phonons de Landau–Khalatnikov aux petits angles. Le nombre total de phonons est conservé et les nombres moyens d'occupation des phonons à l'équilibre peuvent admettre un potentiel chimique μ ϕ < 0 supposé isotrope. La variance du déphasage est alors la somme d'un terme balistique C t 2 , d'un terme diffusif 2 D t , de termes sous-sous-dominants exotiques 2 A ( π t ) 1 / 2 + 2 B ln ( t 1 / 2 ) et d'un terme constant. Nous obtenons analytiquement l'expression des coefficients C , A et B , ainsi que le comportement dominant divergent de D et du terme constant lorsque μ
Un condensat de paires dans un gaz tridimensionnel de fermions de spin 1/2 isolé, homogène, non polarisé, de taille finie et de température extrêmement basse, mais non nulle, subit au cours du temps un changement de phase θ ˆ ( t ) − θ ˆ ( 0 ) avec une composante aléatoire, ne serait-ce que par couplage aux phonons thermiques du gaz. À l'aide de la seconde relation de Josephson quantique reliant d θ ˆ / d t aux opérateurs nombres d'occupation des modes de phonons et d'équations cinétiques linéarisées donnant l'évolution des fluctuations des nombres d'occupation, nous accédons au comportement de la variance Var [ θ ˆ ( t ) − θ ˆ ( 0 ) ] de ce déphasage aux temps longs devant le temps de collision des phonons. Le cas où la branche de phonons est de départ convexe ressemble à celui du gaz de bosons : les processus collisionnels dominants sont ceux à trois phonons de Beliaev–Landau, si bien que la variance est la somme d'un terme balistique C t 2 et d'un terme diffusif avec retard 2 D ( t − t 0 ) , dont nous donnons les expressions analytiques à la limite thermodynamique. Le cas concave est beaucoup plus exotique. Nous l'analysons aux échelles de temps courtes devant T − 9 , ce qui permet de garder comme seuls processus collisionnels ceux 2 phonons → 2 phonons de Landau–Khalatnikov aux petits angles. Le nombre total de phonons est conservé et les nombres moyens d'occupation des phonons à l'équilibre peuvent admettre un potentiel chimique μ ϕ < 0 supposé isotrope. La variance du déphasage est alors la somme d'un terme balistique C t 2 , d'un terme diffusif 2 D t , de termes sous-sous-dominants exotiques 2 A ( π t ) 1 / 2 + 2 B ln ( t 1 / 2 ) et d'un terme constant. Nous obtenons analytiquement l'expression des coefficients C , A et B , ainsi que le comportement dominant divergent de D et du terme constant lorsque μ
Nous étudions la dynamique de phase à l'équilibre d'un condensat dans un gaz de bosons en interaction faible harmoniquement piégé et isolé de l'environnement. Nous trouvons qu'au bout d'un temps long devant le temps de collision typique entre les quasi-particules de Bogolioubov, la variance du déphasage du condensat comporte en général un terme balistique quadratique en temps et un terme diffusif affine en temps. Nous donnons des expressions analytiques des coefficients correspondants, à la limite d'un grand système, dans le régime faiblement collisionnel et dans l'approximation ergodique pour le mouvement des quasi-particules. Correctement adimensionnés, ils sont décrits, tout comme les taux d'amortissement des modes, par des fonctions universelles de la température ramenée au potentiel chimique de Thomas–Fermi du condensat. Cette classe d'universalité diffère de celle précédemment étudiée du gaz spatialement homogène.
On considère généralement que la fonction d'onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n'existe que des systèmes de taille finie, préparés, qui plus est, à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système demeure isolé tout au long de son évolution et que le nombre de particules N est fixé. La mémoire de la phase initiale se perd à mesure que le condensat interagit avec les modes excités, qui agissent comme un environnement déphasant. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique du condensat de paires, reste très peu étudié. Dans cet article, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons, par une approche microscopique, que la dérivée de l'opérateur phase du condensat θ ˆ 0 par rapport au temps est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique que nous construisons, et qui inclut les deux branches d'excitations du gaz, tant par brisure des paires que par mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée d'énergie E , θ ˆ 0 évolue aux temps longs comme − 2 μ mc ( E ) t / ħ , où μ mc ( E ) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de l'énergie d'une réalisation à l'autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N 1 / 2 . En revanche, en l'absence de fluctuations d'énergie, le temps de cohérence diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de θ ˆ 0 . Enfin, nous proposons une méthode permettant de mesurer avec un gaz d'atomes froids ce temps de cohérence, que nous prédisons être de l'ordre de la dizaine de millisecondes pour un gaz de fermions préparé dans l'ensemble canonique à la limite unitaire.
On considère généralement que la fonction d’onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n’existe que des systèmes de taille finie, préparés à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système est isolé. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique, restait très peu étudié.Dans cette thèse, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons par une approche microscopique que la dérivée temporelle de l’opérateur phase ˆθ0 est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique qui inclut les deux branches d’excitations du gaz : celle, fermionique, de brisure des paires et celle, bosonique, de mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée de l’énergie E et du nombre de particules N, la phase évolue aux temps longs comme −2μmc(E,N)t/~ où μmc(E,N) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de E et de N d’une réalisation à l’autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N1/2. En l’absence de telles fluctuations, la décroissance est au contraire exponentielle avec un temps de cohérence qui diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de ˆθ0 dans l’environnement des modes excités. Nous donnons une expression explicite de ce temps caractéristique à bassetempérature dans le cas d’une branche d’excitation bosonique convexe lorsque les phonons interagissent via les processus 2 ↔ 1 de Beliaev-Landau. Enfin, nous proposons des méthodes permettant de mesurer avec un gaz d’atomes froids chaque contribution au temps de cohérence
On considère généralement que la fonction d’onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n’existe que des systèmes de taille finie, préparés à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système est isolé. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique, restait très peu étudié.Dans cette thèse, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons par une approche microscopique que la dérivée temporelle de l’opérateur phase ˆθ0 est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique qui inclut les deux branches d’excitations du gaz : celle, fermionique, de brisure des paires et celle, bosonique, de mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée de l’énergie E et du nombre de particules N, la phase évolue aux temps longs comme −2μmc(E,N)t/~ où μmc(E,N) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de E et de N d’une réalisation à l’autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N1/2. En l’absence de telles fluctuations, la décroissance est au contraire exponentielle avec un temps de cohérence qui diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de ˆθ0 dans l’environnement des modes excités. Nous donnons une expression explicite de ce temps caractéristique à bassetempérature dans le cas d’une branche d’excitation bosonique convexe lorsque les phonons interagissent via les processus 2 ↔ 1 de Beliaev-Landau. Enfin, nous proposons des méthodes permettant de mesurer avec un gaz d’atomes froids chaque contribution au temps de cohérence
Dynamique hors d’équilibre et thermalisation des gaz de Bose isolés et forcés en basse dimension Si les mécanismes régissant les propriétés d'équilibre des gaz quantiques sont aujourd'hui relativement bien compris, leurs équivalents hors équilibre restent largement inconnus. Dans cette thèse, nous explorons théoriquement la physique hors équilibre des gaz de Bose en interaction à basse dimension dans deux situations représentatives. Dans la première, nous considérons un superfluide de Bose isolé en dimension deux suite à un changement brutal de la constante de couplage. En utilisant une description hydrodynamique quantique combinée à un formalisme de champ de Keldysh, nous obtenons des équations cinétiques quantiques pour les excitations phononiques de basse énergie du système. Cette méthode nous permet de décrire l'évolution du système depuis sa dynamique cohérente aux temps courts (régime préthermal) jusqu'à sa thermalisation aux temps longs. En particulier, nous calculons et discutons les taux d'amortissement Landau-Beliaev à la fois dans une approche perturbative standard et dans son extension auto-cohérente. Les résultats sont également discutés au regard d'expériences récentes. Notre deuxième étude porte sur un système quantique unidimensionnel forcé, un gaz de Bose soumis à des interactions périodiques. Dans la limite de kicks infiniment courts, il a été montré récemment que ce système présentait un étalement exponentiellement rapide de la fonction d'onde. En revisitant ce problème pour des kicks de durée arbitraire, nous montrons que, dans ce cas, l'étalement n'est pas exponentiel mais sous-diffusif aux temps longs. Nos résultats indiquent que le passage du comportement exponentiel à sous-diffusif se produit à des temps très courts, même pour des kicks extrêmement brefs, ce qui suggère que la sous-diffusion est le mécanisme générique de transport dans ce type de système.
Nous considérons l’évolution collisionnelle vers l’équilibre du gaz de phonons spatialement homogène et isotrope d’un superfluide tridimensionnel à branche d’excitation acoustique concave, à une température T non nulle mais arbitrairement basse. Les collisions à trois phonons 1 ϕ ↔ 2 ϕ sont interdites par la conservation de l’énergie-impulsion. Les collisions à quatre phonons 2 ϕ → 2 ϕ de Landau et Khalatnikov ne conduisent, au bout d’un temps ∝ T –7 , qu’à un équilibre thermique partiel, une loi de Bose de potentiel chimique non nul pour les phonons, car elles en conservent le nombre total. La relaxation vers l’équilibre thermochimique complet est donc assurée par les collisions beaucoup plus lentes à cinq phonons 2 ϕ ↔ 3 ϕ de Khalatnikov, en un temps ∝ T –9 . Au moyen d’équations cinétiques sur les nombres d’occupation des modes de phonons et après calcul explicite par l’hydrodynamique quantique de l’amplitude de collision 2 ϕ → 3 ϕ à basse température, nous déterminons l’évolution correspondante de la fugacité z ϕ du gaz de phonons depuis le régime non dégénéré z ϕ = 0 + jusqu’à l’équilibre complet z ϕ = 1 – . En utilisant la conservation de l’énergie totale, nous trouvons que la fugacité varie avec une loi de puissance non entière ∝ t 4/5 aux temps courts et une loi exponentielle aux temps longs ; la vitesse de variation de l’entropie, toujours positive, est asymptotiquement proportionnelle au carré de la vitesse de variation de la fugacité, (d/d t ) S ϕ ∝ [(d/d t ) z ϕ ] 2 , comme l’avait prédit Landau pour une transformation adiabatique arbitrairement lente. Nos résultats portent à son terme l’étude commencée par Khalatnikov en 1950 et pourraient être vérifiés expérimentalement dans un gaz d’atomes froids fermioniques de spin 1/2 dans le secteur du raccordement CBE-BCS où la branche acoustique est de départ concave, ou dans l’hélium 4 liquide superfluide à suffisamment haute pression.