Les propriétés physiques d'un système de particules homogène à l'équilibre thermodynamique st caractérisées par son équation d'état : une relation entre différentes grandeurs thermodynamiques. Le gaz de Bose bi-dimensionnel est un système particulier de ce point de vue car son équation d'état est invariante par changement d'échelle en présence d'interactions atomiques répulsives. Une autre caractéristique remarquable du gaz de Bose 2D est l'existence d'une transition de phase vers un état superfluide à basse température. Dans mon manuscrit de thèse, je présente une mesure de l'équation d'état du gaz de Bose homogène pour trois grandeurs thermodynamiques : la pression réduite, la densité dans l'espace des phases et l'entropie par particule. Je présente également une mesure de l'énergie d'interaction de gaz 2D piégés dans un potentiel harmonique. Cette mesure a permis de mettre en évidence l'existence d'une phase précédant la phase superfluide où les fluctuations de densité sont fortement réduites. Cette phase constitue une étape essentielle dans l'établissement de la transition superfluide. Enfin, je décris l'observation directe de vortex dans des gaz de Bose 2D. Ces vortex constituent l'ingrédient clé dans le mécanisme microscopique de la transition superfluide à deux dimensions
Les propriétés physiques d'un système de particules homogène à l'équilibre thermodynamique st caractérisées par son équation d'état : une relation entre différentes grandeurs thermodynamiques. Le gaz de Bose bi-dimensionnel est un système particulier de ce point de vue car son équation d'état est invariante par changement d'échelle en présence d'interactions atomiques répulsives. Une autre caractéristique remarquable du gaz de Bose 2D est l'existence d'une transition de phase vers un état superfluide à basse température. Dans mon manuscrit de thèse, je présente une mesure de l'équation d'état du gaz de Bose homogène pour trois grandeurs thermodynamiques : la pression réduite, la densité dans l'espace des phases et l'entropie par particule. Je présente également une mesure de l'énergie d'interaction de gaz 2D piégés dans un potentiel harmonique. Cette mesure a permis de mettre en évidence l'existence d'une phase précédant la phase superfluide où les fluctuations de densité sont fortement réduites. Cette phase constitue une étape essentielle dans l'établissement de la transition superfluide. Enfin, je décris l'observation directe de vortex dans des gaz de Bose 2D. Ces vortex constituent l'ingrédient clé dans le mécanisme microscopique de la transition superfluide à deux dimensions
Les propriétés physiques d'un système de particules homogène à l'équilibre thermodynamique sont caractérisées par son équation d'état : une relation entre différentes grandeurs thermodynamiques. Le gaz de Bose bi-dimensionnel est un système particulier de ce point de vue car son équation d'état est invariante par changement d'échelle en présence d'interactions atomiques répulsives faibles. Une autre caractéristique remarquable du gaz de Bose 2D est l'existence d'une transition de phase vers un état superfluide à basse température. Dans ce manuscrit de thèse, je présente une mesure de l'équation d'état du gaz de Bose homogène pour trois grandeurs thermodynamiques : la pression réduite, la densité dans l'espace des phases et l'entropie par particule. Je présente également une mesure de l'énergie d'interaction d'un gaz 2D piégé dans un potentiel harmonique. Cette mesure a permis de mettre en évidence l'existence d'une phase précédant la phase superfluide où les fluctuations de densité sont fortement réduites. Cette phase constitue une étape essentielle dans l'établissement de la transition superfluide. Enfin, je décris l'observation de signatures de vortex dans des gaz de Bose 2D. Ces vortex constituent l'ingrédient clé du mécanisme microscopique de la transition superfluide à deux dimensions.
Cohérence et Superfluidité de gaz de Bose en dimension réduite : des pièges harmoniques aux fluides uniformes La dimensionnalité d’un système affecte fortement ses propriétés physiques ; les transitions de phasequi s’y déroulent ainsi que le type d’ordre qui y apparaît dépendent de la dimension. Dans les systèmesde basse dimension, la cohérence s’avère plus difficile à établir car les fluctuations thermiques etquantiques y jouent un rôle plus important. Le fluide de Bose à deux dimensions est particulièrementintéressant car, même si un ordre total est exclu, un ordre résiduel à « quasi-longue » portée s’établit àbasse température. Deux ingrédients ont un effet significatif sur l’état du système : (i) la taille finie d’unsystème réel permet de retrouver une occupation macroscopique d’un état à une particule ; (ii) les interactionsentre particules conduisent à l’apparition d’un type non-conventionnel de transition de phasevers un état superfluide.Dans cette thèse, nous présentons une étude expérimentale du gaz de Bose bidimensionnel (2D) utilisantdeux types de paysages énergétiques pour piéger nos atomes. Dans la première partie, nous utilisonsla dépendance spatiale de certaines propriétés locales d’un gaz inhomogène pour caractériser l’étatdu système homogène équivalent. Nous extrayons son équation d’état des profils de densité et noustestons son comportement superfluide en mesurant le chauffage induit par le mouvement d’une perturbationlocale. Dans la deuxième partie, nous observons et caractérisons l’émergence d’une cohérencede phase étendue dans un gaz 2D homogène, en particulier via le passage de trois dimensions à deux(croisement dimensionnel). Nous étudions l’établissement dynamique de la cohérence par un passagerapide du croisement dimensionnel et nous observons des défauts topologiques dans l’état superfluidefinal. Nous comparons nos résultats avec les prédictions du mécanisme de Kibble–Zurek.
Le Gaz de Bose à deux dimensions dans des potentiels en boîtes Les gaz quantiques atomiques constituent un outil de choix pour étudier la physique à N corps grâce à leurs nombreux paramètres de contrôle. Ils offrent la possibilité d’explorer la physique en basse dimension, modifiée par rapport au cas à trois dimensions (3D) à cause du rôle accru des fluctuations. Dans ce travail, nous étudions le gaz de Bose à deux dimensions (2D) avec un confine-ment original dans le plan atomique, uniforme et de motif arbitraire. Ces gaz2D et uniformes, développés sur un montage existant, ont été installés sur un nouveau montage grâce à des potentiels optiques polyvalents.Nous présentons une série d’expériences exploitant cette géométrie flexible.D’abord, nous étudions le comportement statique et dynamique d’un gaz uni-forme lors de la transition d’un état 3D normal vers un état 2D superfluide.Nous observons l’établissement de la cohérence de phase dans un gaz à l’équilibre puis nous montrons l’apparition après une trempe de défauts topologiques dont le nombre est comparé à la prédiction de Kibble-Zurek. Ensuite, nous étudions grâce au nouveau montage les effets collectifs dans l’interaction lumière-matière, où les propriétés de résonance d’un nuage d’atomes dense sont fortement modifiées par rapport à celles d’un atome unique. Enfin, nous proposons deux protocoles pour le nouveau montage. Le premier permet d’évaporer de manière uniforme un gaz 2D grâce au réseau incliné du confinement à 2D. Le second propose de produire des supercourants de manière déterministe dans des pièges en anneaux, soit par condensation dans un champ de jauge, soit en réalisant une pompe à vortex topologique.
Les propriétés thermodynamiques ainsi que l'évolution temporelle des systèmes bidimensionnels sont nettement différentes de celles de systèmes à trois dimensions. Ce travail de thèse présente des expériences réalisées avec des gaz ultrafroids uniformes de bosons en interaction faible, et confinés à deux dimensions d'espace. Ces expériences permettent de mettre en lumière certains traits caractéristiques de l'équilibre thermique et de la dynamique hors équilibre des systèmes à deux dimensions. Un expérimentateur travaillant avec des atomes froids possède une boîte à outils très fournie : la géométrie, la température, l'état interne des atomes sont très bien contrôlés, et de nombreuses méthodes permettant d'étudier leurs propriétés sont disponibles. En particulier, nous travaillons avec des gaz de densité uniforme dont la géométrie peut être choisie à volonté. Je décris l'installation expérimentale et les outils à notre disposition dans une première partie. Dans une deuxième partie, je présente une série d'expériences concernant la transition de phase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless d'un gaz de Bose bidimensionnel. Il s'agit d'une transition de phase topologique pour laquelle le système présente un ordre à quasi-longue portée en dessous de la température critique. Nous avons développé deux méthodes expérimentales pour sonder cet ordre à quasi-longue portée. Dans une troisième et dernière partie, je détaille les symétries qui sous-tendent la dynamique d'un gaz proche d'une température nulle dans un piège harmonique. Ces symétries sont les symétries cachées de l'équation de Schrödinger non-linéaire, qui décrit plusieurs autres systèmes physiques. Nous avons testé ces symétries expérimentalement, et nous avons également observé des formes dont l'évolution est périodique dans un potentiel harmonique en présence de non-linéarités. Ces formes géométriques pourraient constituer un nouveau type de solutions périodiques de cette équation non-linéaire.
Ce manuscrit présente une étude expérimentale d'un gaz de 87Rb ultra-froid confiné à deux dimensions et en présence de désordre. Dans une première partie, nous mettons en place les outils expérimentaux développés pour manipuler les gaz confinés. Après un état de l'art sur l'apport de la communauté des atomes froids aux gaz de Bose 2D, nous détaillons notre expérience, en l'absence de désordre, qui par une comparaison fine avec des simulations Monte-Carlo quantique et grâce à une thermométrie en temps de vol très précise, a permis de quantifier l'apparition de la cohérence autour la transition de phase superfluide Berzinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT). La seconde partie est dédiée à l'effet d'un potentiel désordonné généré optiquement et corrélé microscopiquement sur les propriétés de transport et de cohérence du gaz 2D en interaction. Cette partie suit la progression de l'expérience du régime de transport classique, dans lequel nous avons mesuré la dépendance du coefficient de diffusion classique en fonction de l'énergie de la particule, jusqu'au transport quantique, que nous avons atteint grâce à une ultime méthode de ralentissement. Sur la route entre ces deux régimes, nous observons un décalage vers les faibles entropies de l'établissement de la cohérence autour de la transition BKT provoqué par l'ajout adiabatique d'une quantité modérée de désordre ainsi que sa suppression pour un désordre de l'ordre de la température du nuage. Ce travail est une étape vers une étude expérimentale de la transition quantique vers le verre de Bose mettant en jeu à la fois désordre et interactions.
Dynamique hors d’équilibre et thermalisation des gaz de Bose désordonnés en interaction faible Ce manuscrit de thèse est consacré à différents aspects de la dynamique hors d’équilibre d’un gaz de Bose bi-dimensionnel ultra-froid en mouvement, sous l’action simultanée d’un potentiel spatialement désordonné et d’interactions entre particules. En l’absence d’interactions, la distribution des impulsions du gaz est la somme de deux composantes bien connues : un fond classique constitué de particules multiplement diffusées par le désordre, ainsi qu’un pic interférentiel de rétro-diffusion cohérente (pic CBS, en anglais), conséquence du phénomène de localisation faible. En présence d’interactions faibles, les simulations de champ moyen montrent que ces deux contributions évoluent dans le temps. Cette évolution est décrite par deux équations cinétiques couplées, que nous dérivons au moyen d’une théorie de transport quantique microscopique. Ces dernières décrivent la destruction du pic CBS par un mécanisme de déphasage, et la thermalisation du fond diffusif. Lorsque la force des interactions augmente, les effets du désordre deviennent négligeables, et la dynamique du gaz ressemble à celle d’un superfluide. Dans ce régime, le gaz entre rapidement dans un état dit «pré-thermal» : les corrélations spatiales g_1 décroissent algébriquement et se propagent en suivant un cône de lumière, conformément aux prédictions théoriques. Enfin, aux temps longs, nos simulations décrivent l’évolution globale du système vers un état d’équilibre thermal, caractérisé par une transition Kosterlitz-Thouless séparant un état de fluide normal d’un état superfluide. Quelques propriétés de cette transition de phase, issue de l’évolution hors d’équilibre en présence de désordre sont discutées.