Direct observation of the coherent forward scattering peak of a Bose-Einstein condensate in a shaken optical lattice

Abstract

Grâce à leur grande contrôlabilité, les plateformes expérimentales d'atomes froids constituent des dispositifs de choix pour simuler divers phénomènes physiques. Parmi ceux-ci, l'étude du transport des ondes dans des milieux désordonnés soulève un grand nombre de questions, concernant notamment l'arrêt complet de la diffusion par des effets d'interférences multiples : la localisation forte. Cette localisation peut se manifester dans l'espace des positions (on parle de localisation d'Anderson) ou dans l'espace des impulsions (on parle de localisation dynamique). Un marqueur de cette localisation forte est alors attendu dans l'espace réciproque au désordre : il s'agit du pic de diffusion cohérente vers l'avant (CFS). Ce pic, récemment découvert numériquement, n'a jusqu'à présent jamais été directement observé expérimentalement. Dans ce manuscrit, nous rapportons sa première observation directe, menée avec un modèle de rotateur secoué mis en œuvre sur un dispositif consistant en une onde de matière, un condensat de Bose-Einstein de 87Rb, placé dans un potentiel périodique, un réseau optique unidimensionnel. La première partie de ce manuscrit est consacrée à la description du dispositif expérimental et des méthodes permettant de préparer l'onde de matière en un état quantique arbitraire dans le réseau. Ces préparations sont effectuées grâce à des méthodes de contrôle optimal, faisant intervenir une modulation temporelle de l'amplitude et de la phase du réseau. Des méthodes de reconstruction par tomographie permettent de certifier les hautes fidélités de ces préparations. Ces protocoles de contrôle peuvent être par exemple appliqué à une stabilisation stroboscopique d'états cibles dans le réseau. Pour notre étude, elles permettent notamment d'initialiser le système dans un état initial nécessaire à l'observation du pic CFS. La seconde partie présente notre mise en place expérimentale d'un modèle de rotateur secoué, dérivé du rotateur pulsé, qui induit une localisation dynamique en impulsion grâce à l'émergence de trajectoires chaotiques, jouant le rôle de désordre en impulsion. Ce modèle permet d'aller au-delà du rotateur pulsé, en permettant un contrôle des régimes de localisation et des symétries dans le système. Le pic CFS est attendu dans l'espace réciproque à la localisation dynamique, i.e. l'espace des positions. Notre dispositif ne permettant qu'une mesure de la distribution en impulsion, des méthodes de mesures spécifiques sont mises en place. Une d'entre elles repose sur un transfert de la distribution en position vers celle des impulsions, grâce à une rotation dans l'espace des phases induite par un maintien de l'état dans un réseau de profondeur statique. Ces méthodes ont permis de mesurer le pic bien connu de rétro-diffusion cohérente (CBS), marqueur de localisation faible, ainsi que le pic CFS. Le contrôle des symétries a d'autre part permis de vérifier que le pic CBS disparaît en absence de la symétrie nécessaire à la localisation faible, et que le CFS était robuste à la brisure de toutes les symétries. Nous avons mis en évidence que le pic CFS apparaît en présence de localisation, qu'il s'agisse de localisation forte ou de dynamique confinée au sein d'une boîte classique. Ces résultats établissent ainsi le pic CFS comme un marqueur quantitatif de la non-ergodicité du système localisé. Nos travaux ouvrent notamment la voie à l'étude de la localisation en présence d'interaction par l'intermédiaire des caractéristiques du CFS.