Les gaz ultrafroids sont des systèmes quantiques bien contrôlables qui sont décrits par un petit ensemble de paramètres. L'idée d'étudier des systèmes avec des forces partiellement attractives et répulsives, ajustées de manière à obtenir une faible valeur de champ moyen, fournit une plateforme intéressante pour étudier divers phénomènes allant au-delà de cette approximation classique : des exemples récents remarquables étant les gouttelettes quantiques et les supersolides dipolaires. Dans ce manuscrit, nous progressons dans la compréhension du diagramme de phase d'un mélange Bose-Bose 1D avec des interactions de contact inter-espèces attractives et intra-espèces répulsives. Ceci nous amène à aborder le problème unidimensionnel de trois bosons avec des interactions à deux et trois corps que nous résolvons analytiquement. Nous développons ensuite la théorie des perturbations pour des systèmes où la valeur de champ moyen est très faible (ou disparait). Nous calculons dans toutes les dimensions la contribution principale au-delà du champ moyen qui représente une interaction effective à trois corps. Nous appliquons particulièrement ce résultat aux dipôles inclinés dans des géométries à quasi-basse dimension. De manière intéressante, nous montrons la cohérence de cette approche perturbative à quelques corps avec celle de Bogoliubov. Enfin, nous présentons un moyen de concevoir une force effective à trois corps utile pour stabiliser certains systèmes bosoniques proche d'une résonance de Feshbach étroite.
Les gaz ultrafroids sont des systèmes quantiques bien contrôlables qui sont décrits par un petit ensemble de paramètres. L'idée d'étudier des systèmes avec des forces partiellement attractives et répulsives, ajustées de manière à obtenir une faible valeur de champ moyen, fournit une plateforme intéressante pour étudier divers phénomènes allant au-delà de cette approximation classique : des exemples récents remarquables étant les gouttelettes quantiques et les supersolides dipolaires. Dans ce manuscrit, nous progressons dans la compréhension du diagramme de phase d'un mélange Bose-Bose 1D avec des interactions de contact inter-espèces attractives et intra-espèces répulsives. Ceci nous amène à aborder le problème unidimensionnel de trois bosons avec des interactions à deux et trois corps que nous résolvons analytiquement. Nous développons ensuite la théorie des perturbations pour des systèmes où la valeur de champ moyen est très faible (ou disparait). Nous calculons dans toutes les dimensions la contribution principale au-delà du champ moyen qui représente une interaction effective à trois corps. Nous appliquons particulièrement ce résultat aux dipôles inclinés dans des géométries à quasi-basse dimension. De manière intéressante, nous montrons la cohérence de cette approche perturbative à quelques corps avec celle de Bogoliubov. Enfin, nous présentons un moyen de concevoir une force effective à trois corps utile pour stabiliser certains systèmes bosoniques proche d'une résonance de Feshbach étroite.
Effets au-delà du champ moyen dans les gaz ultra-froids Les gaz ultrafroids sont des systèmes quantiques bien contrôlables qui sont décrits par un petit ensemble de paramètres. L'idée d'étudier des systèmes avec des forces partiellement attractives et répulsives, ajustées de manière à obtenir une faible valeur de champ moyen, fournit une plateforme intéressante pour étudier divers phénomènes allant au-delà de cette approximation classique : des exemples récents remarquables étant les gouttelettes quantiques et les supersolides dipolaires. Dans ce manuscrit, nous progressons dans la compréhension du diagramme de phase d'un mélange Bose-Bose 1D avec des interactions de contact inter-espèces attractives et intra-espèces répulsives. Ceci nous amène à aborder le problème unidimensionnel de trois bosons avec des interactions à deux et trois corps que nous résolvons analytiquement. Nous développons ensuite la théorie des perturbations pour des systèmes où la valeur de champ moyen est très faible (ou disparait). Nous calculons dans toutes les dimensions la contribution principale au-delà du champ moyen qui représente une interaction effective à trois corps. Nous appliquons particulièrement ce résultat aux dipôles inclinés dans des géométries à quasi-basse dimension. De manière intéressante, nous montrons la cohérence de cette approche perturbative à quelques corps avec celle de Bogoliubov. Enfin, nous présentons un moyen de concevoir une force effective à trois corps utile pour stabiliser certains systèmes bosoniques proche d'une résonance de Feshbach étroite.
Les gaz d'atomes ultrafroids offrent des possibilités sans précédent pour la réalisation et la manipulation des systèmes quantiques. Le contrôle exercé sur les interactions entre particules permet d'atteindre le régime de fortes interactions, pour des espèces d'atomes à la fois fermioniques et bosoniques. Dans la limite unitaire, où la force d'interaction est à son maximum, des propriétés universelles émergent. Pour les atomes bosoniques, celles-ci comprennent l'effet Efimov, l'existance surprenante d'une séquence infinie d'états liés à trois corps. Dans cette thèse, nous avons étudiés un système de bosons unitaires. Partant des cas à deux et à trois corps, nous avons montrés que le modèle choisi capturait correctement les caractéristiques universelles de l'effet Efimov. Pour le modèle à N-corps, nous avons développé un algorithme de Monte Carlo quantique capable de réaliser les différentes phases thermodynamiques du système : gaz normal à haute-température, condensat de Bose-Einstein, et liquide d'Efimov. Un unique composant de notre modèle resterait pertinent à la limite de température infinie, à savoir la répulsion corps dur à trois corps, qui constitue une généralisation du potentiel classique entre sphères dures. Pour ce modèle, nous avons proposé une solution au problème d'empilement compact en deux et trois dimensions, fondée sur une Ansatz analytique et sur la technique de recuit simulé. En étendant ces résultats à une situation de pression finie, nous avons montré que le système présente une transition de fusion discontinue, que nous avons identifié à travers la méthode de Monte Carlo.
Interaction Réglable de Champ Moyen et au-delà du Champ Moyen pour un Condensat de Bose-Einstein dans un mélange cohérent de spin Cette thèse explore les interactions de champ moyen et au-delà du champ moyen dans un condensat de Bose-Einstein (BEC) à deux composantes de ³⁹K couplé de manière cohérente. Nous établissons d'abord le cadre théorique décrivant la structure atomique du potassium-39, les interactions interatomiques et les résonances de Feshbach. Nous présentons ensuite les théories de champ moyen et les corrections au-delà du champ moyen pertinentes pour les gaz de Bose ultrafroids. Nous décrivons également la physique des systèmes à deux niveaux couplés de manière cohérente, y compris le couplage radiofréquence, les balayages adiabatiques et les longueurs de diffusion dans la base des états habillés. Une grande partie du travail expérimental porte sur le développement d'un système de stabilisation du champ magnétique à haute précision, essentiel pour des mesures fiables et précises dans un BEC à deux composantes. Nous étudions l'énergie d'interaction de champ moyen dans un BEC à deux composantes couplés de manière cohérente, préparé dans l'état habillé, à la fois théoriquement et expérimentalement. Les résultats révèlent des non-linéarités et des effets de saturation en fonction de la densité. Nous explorons ensuite le régime des gouttelettes quantiques, dans le but d'observer des états autoliés stabilisés par les fluctuations quantiques au-delà de l'approximation de champ moyen. Enfin, nous présentons une expérience de tunneling d'un BEC à travers des barrières optiques créées à l'aide d'un dispositif à micromiroirs numériques (DMD) et d'un laser désaccorder vers le bleu, démontrant la transition entre les régimes de l'effet tunnel classique et quantique, ainsi que l'apparition d'interférences de type Fabry-Pérot dans les ondes de matière.
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.
Cette thèse est consacrée à l'étude théorique des états quantiques fortement corrélés de ultra-froids piégés atomes fermioniques dans les réseaux optiques. Ce champ a considérablement augmenté Ces dernières années, suite aux progrès expérimentaux réalisés dans le refroidissement et le contrôle des gaz atomiques, qui a conduit à l'observation de la première condensation de Bose-Einstein (en 1995 [4]). Le le piégeage de ces gaz dans les réseaux optiques a ouvert un nouveau champ de recherche à l'interface entre la physique atomique et physique de la matière condensée. L'observation de la transition à partir d'un superfluide à un isolant de Mott d'atomes bosoniques [46] a ouvert la voie pour l'étude de fortement corrélée phases et transitions de phase quantique dans ces systèmes. Très récemment, le enquête sur l'état isolant de Mott d'atomes fermioniques [63] fournit une motivation supplémentaire de procéder à ces études théoriques. Cette thèse peut être divisée en deux grandes catégories de travail: • D'une part, nous avons proposé un nouveau type de spectroscopie pour mesurer une particule observables corrélateurs et physiques associés à ces états fortement corrélés. • D'autre part, nous avons étudié l'état fondamental du modèle Hubbard fermionique dans des conditions différentes (déséquilibre de masse déséquilibre de population), à l'aide d'analyse techniques et des simulations numériques. En collaboration avec J. Dalibard et C. Salomon (LKB à l'ENS Paris) et I. Carusotto (Trento, Italie), nous avons proposé et étudié une nouvelle méthode de spectroscopie de la mesure et la caractérisation des excitations particule unique (en particulier, la faible excitations de l'énergie, à savoir la quasi-particules) dans les systèmes d'atomes froids fermioniques, avec l'énergie résolution en impulsion et. Ce type de spectroscopie est un analogue de la cinétique résolue photoémission en physique des solides (ARPES). Nous avons montré, via des modèles simples, que ce méthode de mesure permet de caractériser les quasiparticules non seulement dans les "classiques" phases tels que le gaz interagissent faiblement dans le réseau ou dans des liquides de Fermi, mais aussi dans les phases inhabituelles tels que l'état normal de la supraconductivité à haute température avec un pseudogap (leader à une différenciation entre les nœuds et anti-nœuds) ont observé en physique mater condensé. Le première expérience d'application d'un type de spectroscopie (spectroscopie RF) très étroitement liés à notre proposition a été récemment réalisée à Boulder dans le groupe DS Jin, tout comme cette thèse était en cours de rédaction. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons effectué des études théoriques de plusieurs phases de fermions fortement corrélés dans les réseaux optiques dans le cadre de modèles théoriques tels que le modèle de Hubbard. Nous avons mis en place et développé des méthodes d'analyse (Hartree-Fock théorie du champ moyen à faible couplage, la cartographie sur un modèle de spin effectif à couplage fort) et des méthodes numériques (approche de la dynamique signifie la théorie des champs). Ce travail a conduit à deux certains types d'études. Le premier étudie la concurrence entre une phase superfluide et une onde de densité (ou la séparation de phase) pour des fermions à un déséquilibre de masse et attrayant interaction. Nous avons montré que la phase superfluide est instable au-delà d'une certaine valeur du rapport de masse, qui dépend de l'interaction. La seconde étude traite d'un gaz à déséquilibrée des populations (polarisée gaz) avec une interaction attractive en trois dimensions réseau optique. Le résultat principal est un diagramme de phase montrant la stabilité d'un superfluide uniforme phase avec la polarisation (phase Sarma ou violé deux phases) dans un certain paramètre régime. Via un argument énergétique, nous avons conclu que la stabilité du superfluide polarisé phase est due à la réduction de la polarisabilité et le champ critique de la non-polarisée phase superfluide. Dans le régime de couplage fort du modèle de Hubbard, au sein de l'indice CAOD méthode, nous avons montré que la formation de la paire préformé à l'état normal réduit la polarisabilité et favorise la stabilité de la phase deux violée. Bien que certains aspects ont été abordés dans cette thèse, beaucoup de questions intéressantes restent ouvertes pour les travaux futurs. Dans la première partie, le cadre de la spectroscopie roman méthode établie dans le chapitre 2 peut permettre de différentes études concrètes de la nature de vivement les États de corrélation. Par exemple, il devrait être très intéressante pour comprendre les spectres d'excitation à une particule dans les phases non triviales comme l'isolant de Mott, la préformées ou des paires de phases avec ordre à longue portée. Dans la deuxième partie, la construction de la améliorée (BCS-Slater) la théorie du champ moyen, y compris la correction Hartree permet une meilleure Comparaison des méthodes modernes (CAOD et Slave bosons). Pour le système avec la même population pour les deux espèces, la région proche du modèle Falicov-Kimball n'est pas encore bien compris dans notre analyse CAOD en raison de problèmes de la convergence numérique au sein de la méthode exacte-diagonalisation. Toutefois, au sein de l'analyse de la théorie du champ moyen, nous voyons qu'un nouvelle phase uniforme de la vague de densité de charge (CDW-dopé) peut être stabilisé Merci à la haute asymétrie des sauts. Afin de clarifier cette question, une étude réalisée par l'esclave Boson de champ moyen la théorie pourrait être très utile. Cette méthode a deux avantages: d'abord, il contient la forte Physique corrélation (y compris les fluctuations quantiques), d'autre part, dans certains cas simples que nous pouvons extraire le comportement analytique de la solution. En outre, un traitement complet au sein de MFT pour les deux paramètres d'ordre, le superfluide et de la CEP, devrait être utile pour comprendre la nature de la transition de phase dans cette limite. Une autre perspective de cette thèse est l' compréhension de la nature de la phase superfluide polarisé. L'inadéquation de l'Fermi surfaces considérées dans cette thèse est dû au déséquilibre de la population. Nous pouvons toujours contrôler ce décalage en introduisant en outre un déséquilibre de masse. Dans la région, avec la grand-messe déséquilibre, il est probable que la stabilité de la phase superfluide polarisé uniforme peut être encore renforcée. Dans cette thèse, les effets du potentiel de confinement ont été inclus par le biais du local approximation de la densité. Pour un faible potentiel et lisse, ce rapprochement devrait être précis. Toutefois, pour renforcer l'accouchement, il peut devenir plus discutable. En effet, Cette question a récemment été débattu dans la littérature, dans le cadre de l'interprétation d'expériences avec la population déséquilibre [92, 126]. Dynamiques de champ moyen théorie peut être mis en œuvre dans un cadre homogène, au-delà de LDA [53, 95, 102], ce qui pourrait être utilisés pour évaluer la validité de l'approximation LDA pour des problèmes tels que ceux étudiés dans cette thèse. Cela pourrait être pertinent, en particulier pour le débat actuel sur les phases de la systèmes fermioniques à un déséquilibre de la population.
Durant cette thèse, je me suis intéressé à deux thématiques générales qui peuvent être explorées dans des systèmes d atomes froids : d une part, la dynamique hors-équilibre d un système quantique isolé, et d autre part l influence du désordre sur un système fortement corrélé à basse température. Dans un premier temps, nous avons développé une méthode de champ moyen, qui permet de résoudre la dynamique unitaire dans un modèle à géométrie particulière, le réseau complètement connecté. Cette approche permet d établir une correspondance entre la dynamique unitaire du système quantique et des équations du mouvement classique. Nous avons mis à profit cette méthode pour étudier le phénomène de transition dynamique qui se signale, dans des modèles de champ moyen, par une singularité des observables aux temps longs, en fonction des paramètres initiaux ou finaux de la trempe. Nous avons montré l existence d une transition dynamique quantique dans les modèle de Bose-Hubbard, d Ising en champ transverse et le modèle de Jaynes-Cummings. Ces résultats confirment l existence d un lien fort entre la présence d une transition de phase quantique et d une transition dynamique.Dans un second temps, nous avons étudié un modèle de théorie des champs relativiste avec symétrie O(N) afin de comprendre l influence des fluctuations sur ces singularités. À l ordre dominant en grand N, nous avons montré que la transition dynamique s apparente à un phénomène critique. En effet, à la transition dynamique, les fonctions de corrélations suivent une loi d échelle à temps égaux et à temps arbitraires. Il existe également une longueur caractéristique qui diverge à l approche du point de transition. D autre part, il apparaît que le point fixe admet une interprétation en terme de particules sans masse se propageant librement. Enfin, nous avons montré que la dynamique asymptotique au niveau du point fixe s apparente à celle d une trempe d un état symétrique dans la phase de symétrie brisée. Le troisième volet de cette thèse apporte des éléments nouveaux pour la compréhension du diagramme des phases du modèle de Bose-Hubbard en présence de désordre. Pour ce faire,nous avons utilisé et étendu la méthode de la cavité quantique en champ moyen de Ioffe et Mézard, qui doit être utilisée avec la méthode des répliques. De cette manière, il est possible d obtenir des résultats analytiques pour les exposants des lois de probabilité de la susceptibilité.Nos résultats indiquent que dans les différents régimes de la transition de phase de superfluide vers isolant, les lois d échelle conventionnelles sont tantôt applicables, tantôt remplacées par une loi d activation. Enfin, les exposants critiques varient continûment à la transition conventionnelle.