Les gaz superfluides de fermions de spin 1 / 2 , condensés par paires, sont censés présenter à vecteur d’onde non nul un mode d’excitation collectif encore inobservé dans leur continuum de paire brisée. À l’aide de la théorie BCS à température nulle et dans la limite des grandes longueurs d’onde, nous prédisons que ce mode est quantitativement observable (en fréquence, largeur et poids spectral) dans la réponse d’un gaz d’atomes froids à une excitation de Bragg par laser, si l’on mesure la perturbation induite sur le module du paramètre d’ordre plutôt que sur la densité.
Les gaz superfluides de fermions de spin 1 / 2 , condensés par paires, sont censés présenter à vecteur d’onde non nul un mode d’excitation collectif encore inobservé dans leur continuum de paire brisée. À l’aide de la théorie BCS à température nulle et dans la limite des grandes longueurs d’onde, nous prédisons que ce mode est quantitativement observable (en fréquence, largeur et poids spectral) dans la réponse d’un gaz d’atomes froids à une excitation de Bragg par laser, si l’on mesure la perturbation induite sur le module du paramètre d’ordre plutôt que sur la densité.
Les gaz de fermions de spin 1 / 2 non polarisés condensés par paires présentent une branche d’excitation collective dans leur continuum de paire brisée (V.A. Andrianov, V.N. Popov, 1976). Nous en effectuons une étude poussée à température nulle, à partir de l’équation aux énergies propres déduite de la théorie BCS dépendant du temps linéarisée, puis prolongée analytiquement au demi-plan complexe inférieur à travers sa ligne de coupure, en calculant à la fois la relation de dispersion et les poids spectraux (résidus de quasi-particule) de la branche. Dans le cas des supraconducteurs dits BCS où l’effet du réseau cristallin est remplacé par une interaction attractive à courte portée, mais où l’interaction de Coulomb doit pouvoir être prise en compte, nous nous restreignons à la limite de couplage faible Δ / μ → 0 + ( Δ est le paramètre d’ordre, μ le potentiel chimique) et aux nombres d’onde q = O ( 1 / ξ ) où ξ est la taille d’une paire ; quand l’énergie complexe z q est exprimée en unités de Δ et q en unités de 1 / ξ , la branche suit une loi universelle que nous déterminons, insensible à l’interaction de Coulomb. Dans le cas des atomes froids dans le raccordement CBE-BCS, il ne reste qu’une interaction de contact mais le couplage Δ / μ peut prendre des valeurs arbitraires, et nous étudions la branche à tout nombre d’onde. En couplage faible, nous prédisons trois échelles, celle déjà mentionnée q ≈ 1 / ξ , celle q ≈ ( Δ / μ ) - 1 / 3 / ξ où la partie réelle de la relation de dispersion admet un minimum et celle q ≈ ( μ / Δ ) / ξ ≈ k F ( k F est le nombre d’onde de Fermi) où la branche atteint le bord de son domaine d’existence. Près du point d’annulation du potentiel chimique du côté BCS, μ / Δ → 0 + , où ξ ≈ k F , nous trouvons les deux échelles q ≈ ( μ / Δ ) 1 / 2 / ξ et q ≈ 1 / ξ . Dans tous les cas, la branche est de limite
Nous montrons que la théorie de champ moyen minimale à utiliser pour le calcul des fonctions de distribution de paires g σ σ ′ ( r , r ′ ) d’un gaz superfluide de fermions de spin 1/2 spatialement homogène non polarisé n’est pas la théorie BCS statique ordinaire, mais la théorie BCS dépendant du temps linéarisée, mise en œuvre par le truchement du théorème de fluctuation-dissipation. En effet, la première ignore totalement la branche d’excitation acoustique — les phonons — du superfluide, alors que la seconde en tient compte explicitement, ainsi que des fluctuations quantiques induites par le continuum de paires brisées. Contrairement à la première, la seconde théorie (i) répercute l’effet de ces excitations collectives sur l’équation d’état du système, y compris à température nulle, (ii) permet à la fonction g ↑ ↓ ( r , r ′ ) de descendre à distance assez grande strictement en dessous de sa valeur asymptotique ( ρ / 2 ) 2 où ρ est la densité du gaz, comme il se doit d’après l’hydrodynamique quantique de Landau et Khalatnikov à basse température, et (iii) prédit dans la fonction g ↑ ↑ ( r , r ′ ) à courte distance des contributions sous-dominantes en | r - r ′ | 2 ln | r - r ′ | à 3D et en | r - r ′ | 2 ln - ln | r - r ′ | à 2D, à côté des contributions dominantes en | r - r ′ | à 3D et en | r - r ′ | 2 ln | r - r ′ | à 2D déjà présentes dans la théorie BCS statique mais avec un coefficient plus faible. Cette discussion est pertinente pour les travaux théoriques récents d’Obeso-Jureidini et de Romero-Rochín, et pour les expériences en cours sur les gaz d’atomes froids à l’ENS et au MIT.
Grace aux progrès énormes des techniques de refroidissement, des expériences actuelles avec des atomes fermioniques piégés atteignent des températures extrêmement basses de l'ordre du nanoKelvin. Le but principal de ces expériences est l'étude de la transition nommée "BEC-BCS crossover". Pour cela, on change le champ magnétique autour d'une résonance de Feschbach, ce qui implique que la longueur de diffusion change des valeurs répulsives (a positif), à travers la limite unitaire (a infini) aux valeurs attractives (a négatif). Du côté BEC, où le système forme un condensat de Bose-Einstein de molécules fortement liées, aussi bien que du côté BCS, où les atomes forment des paires de Cooper qui ont une grande extension par rapport à la distance moyenne entre les atomes, on s'attend à ce que le système devienne superfluide, à condition que la température soit inférieure à une certaine température critique. Afin de trouver des signes sans équivoque de la superfluidité, il est nécessaire de regarder des observables dynamiques comme l'expansion du nuage atomique lorsque le piège est éteint ou des oscillations collectives du nuage. Le travail effectué au cours de cette thèse est une étude de la dynamique des modes collectifs dans les gaz de fermions froids. Nous avons développé un modèle basé sur l'évaluation de la matrice T. L'utilisation de l'équation de transport de Boltzmann pour les particules permet ensuite une étude semi-numérique des modes collectifs dans tous les régimes d'interaction. Cette étude a permis de mettre en évidence pour la première fois que la fréquence du mode radial quadrupolaire est supérieure à deux fois la fréquence du piège, comme cela est vérifié expérimentalement et contrairement aux premières théories n'incluant pas les effets de champ moyen. Les résultats obtenus ont aussi mis en évidence la nécessité d'une résolution numérique complète de l'équation de Boltzmann et de l'amélioration des techniques de détermination des observables physiques du gaz. Cette résolution numérique de l'équation de Boltzmann a montré que la détermination du temps de relaxation par la méthode des moments est erronée de 30%, ce qui influe fortement sur la détermination de la fréquence et de l'amortissement du mode collectif. Enfin, l'amélioration de la méthode des moments, considérant l'ordre supérieur, permet d'améliorer sensiblement l'accord avec le résultat numérique. Une telle investigation n'avait jamais été réalisée et montre la nécessité de considérer les moments d'ordre supérieurs pour l'étude des modes collectifs par l'équation de Boltzmann d'un gaz de fermions dans la phase normale
Exploration de la physique à N corps dans un gaz de Bose bidimensionnel : interactions atome-dimère et fraction superfluide à température nulle La dimensionnalité joue un rôle important dans les systèmes physiques. Un gaz d’atomes froids confiné dans une géométrie à deux dimensions a des propriétés thermodynamiques très différentes de celles observées dans un gaz à trois dimensions. Dans cette thèse, nous présentons des expériences réalisées sur un gaz de bosons ultra-froids confinés à deux dimensions et interagissant faiblement entre eux. Dans un premier temps, nous décrivons ce système avec une approche de champ moyen et nous présentons le dispositif expérimental qui nous permet de l’étudier. Ensuite, nous décrivons deux expériences traitant deux sujets distincts, toutes deux menées dans le régime superfluide à température quasi-nulle. Nous commençons par décrire des expériences de création de dimères par photoassociation induite par la radiation d’un champ micro-ondes sur des atomes piégés dans un potentiel à fond plat. Cette expérience nous permet de caractériser le potentiel d’interaction de notre espèce atomique, le rubidium 87. Nous caractérisons aussi l’interaction entre les dimères créés et le bain d’atomes libres. Dans une troisième partie, nous imposons une brisure d’invariance par translation à notre gaz de bosons à température nulle en créant un potentiel spatialement modulé dans une des deux directions du nuage atomique. Nous montrons par deux mesures distinctes que la densité superfluide, égale à la densité totale pour un gaz homogène, décroît lorsque l’invariance par translation est brisée. Nous mesurons la vitesse de son dans la direction parallèle et perpendiculaire à la modulation spatiale d’une part, et nous estimons la fraction superfluide d’après une définition introduite par Leggett en 1970 d’autre part. Nous observons alors une fraction superfluide qui décroît lorsque l’amplitude de modulation augmente.
Mélanges de superfluides Les atomes froids sont des outils uniques pour sonder la physique de la matière quantique. Hautement contrôlables, les gaz de Bose et de Fermi ultrafroids sont des systèmes idéaux pour la simulation quantique et pour explorer des manifestations spectaculaires des effets quantiques, comme la superfluidité. Avec des gaz froids de 6Li et de 7Li, nous avons produit le premier mélange de superfluides bosonique-fermionique, et étudié ses propriétés en initiant un contre-flot entre les nuages de Bose et de Fermi (mode dipolaire). La vitesse critique de superfluidité a été mesurée dans le crossover BEC-BCS et elle est trouvée proche de la vitesse du son dans le gaz de Fermi. Nous comparons nos mesures avec des prédictions théoriques récentes. En élevant la température du mélange, nous avons aussi observé une synchronisation inattendue entre les mouvements des deux nuages, interprétée comme un effet Zénon induit par la dissipation. Finalement, ce mélange de bosons et de fermions offre la possibilité unique de créer un piège homogène pour le gaz de Fermi. En ajustant finement les interactions, nous proposons d’utiliser la répulsion entre les bosons et les fermions pour compenser la courbure du piège harmonique pour les fermions. Pour des fermions présentant une polarisation de spin, nous prédisons théoriquement l’existence d’un superfluide avec une structure en “coquille” et fournissons les premières indications expérimentales de l’observation de ce superfluide topologiquement original.
Ce mémoire présente une étude théorique des propriétés de localisation de gaz de Bose avec interactions faibles, en présence de désordre uni-dimensionnel. Nous abordons trois aspects de ces systèmes désordonnés. En premier lieu, nous étudions le cas d'un gaz sans interactions. Des résultats généraux stipulent que tous les états à une particule sont localisés en une dimension. Nous montrons que pour certaines classes de désordre corrélé, la dépendance de la longueur de localisation des atomes vis-à-vis de leur énergie est marquée par d'abruptes transitions à faible désordre. Ceci permet l'interprétation de résultats expérimentaux récents, au-delà des analyses précédentes. Dans un deuxième temps, nous étudions l'état fondamental d'un gaz avec interactions répulsives, et établissons un diagramme des états quantiques du système en fonction de l'amplitude du désordre et des interactions. Nous analysons les modulations de densité imposées au gaz par le désordre afin de décrire le passage du régime de condensat de Bose- Einstein délocalisé à celui de condensat fragmenté. Pour le régime des très faibles interactions, nous développons une description microscopique du système sur la base des états propres de basse énergie du hamiltonien à une particule. Ces résultats contribuent à la caractérisation de la phase de verre de Bose encore peu explorée aux faibles interactions. Enfin, nous étudions la localisation des excitations élémentaires du gaz de Bose dans le régime de (quasi-) condensat. Nous montrons que la localisation réduite des excitations de plus faible énergie est imputable à un écrantage efficace par le (quasi-) condensat des variations de grande longueur d'onde du potentiel extérieur.