Le caractere irrotationnel des superfluides est a l’origine de proprietes de rotation spectaculaires. Pour que le fluide puisse tourner, sa densite doit s’annuler localement en une singularite appelee tourbillon quantique ou vortex. La geometrie annulaire presente un grand interet pour etudier la superfluidite car le gaz peut tourner autour d’un trou central sans presenter de singularite, permettant l’existence de courants permanents a la circulation quantifiee le long de l’anneau. Nous confinons des atomes froids habilles par un champ radiofrequence dans un potentiel adiabatique reposant sur un piege magnetique quadrupolaire. Le potentiel resultant, en forme de bulle, a la fois tres lisse et facilement modifiable, nous permet de realiser deux types de condensats de Bose-Einstein en forme d’anneau. Une premiere strategie consiste a utiliser une nappe de lumiere tres desaccordee pour confiner les atomes a l’intersection entre la bulle et le plan impose par la lumiere – un anneau. Nous presentons la mise en œuvre et l’optimisation de ce piege sur notre experience et demontrons la possibilite de preparer et observer des courants superfluides dans l’anneau. Une deuxieme voie exploite la force centrifuge et l’anharmonicite du potentiel adiabatique pour creer un potentiel effectif en forme de chapeau mexicain en faisant tourner les atomes pieges au fond de la bulle plus vite que la frequence du piege. Apres avoir realise un tel systeme, nous en sondons les modes quadrupolaires pour caracteriser sa rotation. L’etude de la distribution des vortex dans le gaz en rotation montre egalement un effet de fonte thermique des reseaux de vortex a temperature finie.
Le caractere irrotationnel des superfluides est a l’origine de proprietes de rotation spectaculaires. Pour que le fluide puisse tourner, sa densite doit s’annuler localement en une singularite appelee tourbillon quantique ou vortex. La geometrie annulaire presente un grand interet pour etudier la superfluidite car le gaz peut tourner autour d’un trou central sans presenter de singularite, permettant l’existence de courants permanents a la circulation quantifiee le long de l’anneau. Nous confinons des atomes froids habilles par un champ radiofrequence dans un potentiel adiabatique reposant sur un piege magnetique quadrupolaire. Le potentiel resultant, en forme de bulle, a la fois tres lisse et facilement modifiable, nous permet de realiser deux types de condensats de Bose-Einstein en forme d’anneau. Une premiere strategie consiste a utiliser une nappe de lumiere tres desaccordee pour confiner les atomes a l’intersection entre la bulle et le plan impose par la lumiere – un anneau. Nous presentons la mise en œuvre et l’optimisation de ce piege sur notre experience et demontrons la possibilite de preparer et observer des courants superfluides dans l’anneau. Une deuxieme voie exploite la force centrifuge et l’anharmonicite du potentiel adiabatique pour creer un potentiel effectif en forme de chapeau mexicain en faisant tourner les atomes pieges au fond de la bulle plus vite que la frequence du piege. Apres avoir realise un tel systeme, nous en sondons les modes quadrupolaires pour caracteriser sa rotation. L’etude de la distribution des vortex dans le gaz en rotation montre egalement un effet de fonte thermique des reseaux de vortex a temperature finie.
Le caractère irrotationnel des superfluides est à l’origine de propriétés de rotation spectaculaires. Pour que le fluide puisse tourner, sa densité doit s’annuler localement en une singularité appelée tourbillon quantique ou vortex. La géométrie annulaire présente un grand intérêt pour étudier la superfluidité car le gaz peut tourner autour d’un trou central sans présenter de singularité, permettant l’existence de courants permanents à la circulation quantifiée le long de l’anneau. Nous confinons des atomes froids habillés par un champ radiofréquence dans un potentiel adiabatique reposant sur un piège magnétique quadrupolaire. Le potentiel résultant, en forme de bulle, à la fois très lisse et facilement modifiable, nous permet de réaliser deux types de condensats de Bose-Einstein en forme d’anneau. Une première stratégie consiste à utiliser une nappe de lumière très désaccordée pour confiner les atomes à l’intersection entre la bulle et le plan imposé par la lumière – un anneau. Nous présentons la mise en œuvre et l’optimisation de ce piège sur notre expérience et démontrons la possibilité de préparer et observer des courants superfluides dans l’anneau. Une deuxième voie exploite la force centrifuge et l’anharmonicité du potentiel adiabatique pour créer un potentiel effectif en forme de chapeau mexicain en faisant tourner les atomes piégés au fond de la bulle plus vite que la fréquence du piège. Après avoir réalisé un tel système, nous en sondons les modes quadrupolaires pour caractériser sa rotation. L’étude de la distribution des vortex dans le gaz en rotation montre également un effet de fonte thermique des réseaux de vortex à température finie.
Dynamique superfluide de gaz de Bose annulaires Le caractère irrotationnel des superfluides est à l’origine de propriétés de rotation spectaculaires. Pour que le fluide puisse tourner, sa densité doit s’annuler localement en une singularité appelée tourbillon quantique ou vortex. La géométrie annulaire présente un grand intérêt pour étudier la superfluidité car le gaz peut tourner autour d’un trou central sans présenter de singularité, permettant l’existence de courants permanents à la circulation quantifiée le long de l’anneau. Nous confinons des atomes froids habillés par un champ radiofréquence dans un potentiel adiabatique reposant sur un piège magnétique quadrupolaire. Le potentiel résultant, en forme de bulle, à la fois très lisse et facilement modifiable, nous permet de réaliser deux types de condensats de Bose-Einstein en forme d’anneau. Une première stratégie consiste à utiliser une nappe de lumière très désaccordée pour confiner les atomes à l’intersection entre la bulle et le plan imposé par la lumière – un anneau. Nous présentons la mise en œuvre et l’optimisation de ce piège sur notre expérience et démontrons la possibilité de préparer et observer des courants superfluides dans l’anneau. Une deuxième voie exploite la force centrifuge et l’anharmonicité du potentiel adiabatique pour créer un potentiel effectif en forme de chapeau mexicain en faisant tourner les atomes piégés au fond de la bulle plus vite que la fréquence du piège. Après avoir réalisé un tel système, nous en sondons les modes quadrupolaires pour caractériser sa rotation. L’étude de la distribution des vortex dans le gaz en rotation montre également un effet de fonte thermique des réseaux de vortex à température finie.
Gaz quantiques annulaires dans un piège en forme de bulle : de l'équilibre à la rotation rapide Les gaz quantiques dégénérés constituent une plate-forme idéale pour étudier la superfluidité. Un superfluide annulaire a de nombreuses propriétés subtiles dues à sa géométrie topologique. Dans ce manuscrit, nous présentons trois superfluides annulaires, obtenus par trois mécanismes différents. Le point de départ des expériences est un superfluide confiné au fond d’un piège en forme de bulle, produit par l’habillage des atomes dans un piège quadrupolaire avec des photons radiofréquence (rf). Ce piège adiabatique, présentant une excellente régularité, permet de réaliser ces trois superfluides annulaires. Le premier est un anneau en lévitation, formé à la surface du piège bulle par compensation de la gravité. Nous étudions la structure prise par le nuage atomique, liée à l’effet fin de la polarisation rf et au fort couplage rf. Le second est un piège annulaire, formé à l’équateur de la bulle avec une double nappe lumineuse désaccordée vers le bleu. Nous avons placé le gaz annulaire en rotation par deux méthodes, ce produisant ainsi un courant superfluide permanent et une circulation quantifiée. Enfin, nous avons réalisé un anneau dynamique, qui se forme sous l’effet de la force centrifuge lorsque l’on place les atomes de la bulle en rotation rapide. Il s’agit d’un superfluide supersonique de longue durée de vie dont la vitesse linéaire peut atteindre Mach 18. Nous mettons également en évidence un mode collectif d’un tel superfluide en rotation rapide. La réalisation expérimentale de l’anneau dynamique est une étape importante vers le régime du vortex géant
Les gaz atomiques dégénérés représentent des systèmes modèles pour étudier la superfluidité. Ils offrent la possibilité d'explorer la physique en dimensions restreintes, profondémentdifférente par rapport au cas tridimensionnel. Nous disposons d'un gaz de Bose bidimensionnel dégénéré confiné dans un potentiel très anisotrope et dont on peut changer la géométrie dynamiquement. Une déformation contrôlée du piège permet d'exciter les modes collectifs du gaz. Nous avons fait d'abord une analyse en composantes principales du gaz, et nous avons montré que ces dernières coïncident avec les modes de Bogoliubov. Nous avons ensuite effectué une étude détaillée du mode ciseaux, dont nous nous servons pour sonder le caractère superfluide du gaz, en développant une nouvelle technique d'analyse, appelée "analyse de la moyenne locale". Enfin nous avons réalisé un piège en anneau, obtenu à l'intersection d'un piège en forme de bulle et du potentiel optique d'un faisceau qui présente un noeud d'intensité au centre, la "double nappe", et nous proposons différentes protocoles de mise en rotation des atomes dans l'anneau.
Ces dernières années d'importantes avancées techniques dans la manipulation des gaz atomiques ultrafroids ont ouvert la voie à la réalisation de fluides quantiques mésoscopiques de basse dimension. L'objet de cette thèse est l'étude théorique de certains systèmes mésoscopiques réalisables avec un gaz de Bose unidimensionel. Ces systèmes présentent des phénomènes quantiques intéressants, et sont potentiellement utiles en vue d'applications technologiques. Nous étudions le phénomène des courants permanents induits dans un gaz confiné sur un anneau par la rotation d'une barrière de potentiel, nous examinons la faisabilité d'un qubit fondé sur la superposition d'états de courant dans un réseau en forme d'anneau traversé par un champ de jauge et contenant un 'weak-link', ainsi que l'excitation dipolaire du gaz dans un 'split-trap' induit par le déplacement hors équilibre du potentiel externe. Dans tous ces cas, nous combinons diverses approches analytiques et numériques, qui permettent de couvrir l'ensemble des régimes d'interactions. Nous mettons en lumière un régime jusque-là inconnu, d'écrantage maximal des barrières de potentiel par le fluide, dû à une competition entre les effets des interactions et des fluctuations quantiques. Ces résultats ont des conséquences significatives sur le comportement de tels systèmes et, de ce fait, sont importants pour les réalisations en cours et à venir de dispositifs à gaz d'atomes ultrafroids.
Gaz quantiques à plusieurs composantes sous champ de jauge La première observation de la condensation de Bose-Einstein (BEC) dans les vapeurs atomiques diluées a été une percée fondamentale, vérifiant le concept théorique prédit par Bose et Einstein il y a plusieurs décennies, révélant la propriété statistique des particules quantiques. Depuis lors, un nouveau champ est apparu et les expérimentateurs sont en mesure d'étudier cette matière artificielle de manière très propre et contrôlable. Les systèmes à atomes froids nous permettent d’explorer toute une série de phénomènes fondamentaux extrêmement difficiles voire impossibles à étudier dans des matériaux réels, tels que l’oscillation de Bloch, la transition superfluide-Mott, la topologie de la structure de la bande, le magnétisme orbital, pour ne nommer que ceux-ci. Ces progrès permettent la simulation quantique d'une grande classe d'hamiltoniens soumis au champ magnétique. En effet, les phénomènes de matière condensée sous de forts champs magnétiques intriguent toujours et sont au centre des recherches modernes. Une échelle est la géométrie la plus simple où l'on peut avoir un aperçu des effets d’un champ de jauge synthétique.dans un systèmes quantiques à deux dimensions.La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'échelle à double anneau soumise à des flux de jauge.À travers des calculs numériques et analytiques, nous explorons le diagramme de phases du système en révélant les phases connues telles que la phase de Meissner, vortex et « biased ladder » phases, ainsi que l’effet de commensurabilité du flux total. Grâce à l'approximation de Bogoliubov, nous pouvons déduire le spectre d'excitation du système et la nature des modes à basse énergie dans les différentes phases, révélant des effets de supersolidités ainsi d'oscillation de Josephson entre les anneaux. Le régime d'interaction infinie entre le boson nous a permis d'utiliser une cartographie exacte entre fermions et bosons à l'aide de la transformation de Jordan-Wigner pour caractériser les propriétés de l'état fondamental. Nous explorons le régime intermédiaire des interactions via la théorie des Liquide de Luttinger. Grâce à l’expansion de mode et à l’approche de re-fermionisation de l’Hamiltonien bosonisé du double anneau sous flux de jauge, nous montrons les particularités de la condition aux limites périodiques de taille finie sur le courant dans le double anneau en présence d’une barrière permettant la simulation d’un champ de jauge.Les excitons-polaritons dans les microcavités semi-conductrices constituent un formidable terrain de jeu pour l'étude des fluides quantiques de la lumière où des effets remarquables, similaires à ceux observés dans les expériences sur les atomes froids, se produisent. Même si ce fluide quantique de lumière est supposé être composé d’un état macroscopiquement occupé la nature hors équilibre du gaz rend la comparaison avec les condensats typiques des expériences d’atomes froids plutôt non triviale.La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'étude des excitons-polariton dans le réseau en nid d'abeille. Dans ces réseaux les excitations à faible énergie sont des particules de Dirac sans masse et chirales. Les exciton-polaritons, qui sont des particules composites de lumière, retrouvent leur caractère relativiste dans ce reseau mais dans un contexte où la condensation est possible. Les caractéristiques des bosons dans le réseau en nid d’abeilles, y compris les fonctions de Green retardés, le mécanisme de sélection de la zone de Brillouin et le lien avec la géométrie du réseau. Nous montrons que les modes de désintégration sont supprimés en raison de la symétrie du réseau menant à la possibilité de créer un état sombre polaritonique. On obtient ensuite le spectre d’excitation de Bogoliubov. La courbe de bistabilité habituelle est instable au-dessus du point C, montrant la chute de la théorie du champ moyen en raison de la possibilité d'un état hautement non classique. Enfin, expérience et théorie sont comparées.