Cette thèse étudie deux phénomènes dans les condensats de Bose-Einstein liés à la périodicité : temporelle dans le premier cas et spatiale dans le second. La théorie est passée en revue et des expériences sont réalisées avec des atomes ultra-froids. Plus précisément, notre plateforme expérimentale consiste en un gaz bidimensionnel d'atomes de rubidium confinés dans une boîte à fond plat de géométrie ajustable. Notre dispositif offre un contrôle élevé sur le gaz, nous permettant de concevoir des potentiels et des textures de spin arbitraires. La première investigation explore les solitons, des paquets d'ondes stables qui maintiennent leur forme pendant la propagation. Après avoir revu les fondements théoriques, cette thèse présente la réalisation expérimentale de solitons magnétiques. Ceux-ci apparaissent comme une composante de spin localisée immergée dans un bain d'une autre composante. Lorsqu'ils sont soumis à une force constante, ces solitons présentent un mouvement oscillatoire. Ce comportement est similaire à celui d'un électron dans un cristal effectuant des oscillations de Bloch, malgré l'absence de potentiel périodique. Ce phénomène remarquable découle, dans les deux cas, de la périodicité inhérente à la relation énergie-impulsion. Des expériences dans des géométries linéaires et en anneau vérifient ces oscillations. Dans la configuration en anneau, nous démontrons que les oscillations peuvent générer des courants quantifiés. Cela représente un nouveau mécanisme pour créer des courants persistants dans les fluides quantiques. La seconde étude examine comment la modulation spatiale affecte la superfluidité, c'est-à-dire la capacité d'un fluide à s'écouler sans friction. La thèse démontre expérimentalement que briser la symétrie translationnelle dans un condensat de Bose-Einstein réduit la fraction superfluide. Cela confirme les prédictions des travaux pionniers de Leggett. Nous utilisons des réseaux optiques pour créer des modulations de densité contrôlées. La fraction superfluide est mesurée en utilisant deux méthodes :par la propagation du son et les mesures de compressibilité, et via l'analyse du profil de densité du nuage. Les résultats confirment la réduction attendue de la fraction superfluide. Ces découvertes ont une pertinence particulière pour les supersolides, un état de la matière présentant des propriétés superfluides coexistant avec un ordre spatial spontané.
Cette thèse étudie deux phénomènes dans les condensats de Bose-Einstein liés à la périodicité : temporelle dans le premier cas et spatiale dans le second. La théorie est passée en revue et des expériences sont réalisées avec des atomes ultra-froids. Plus précisément, notre plateforme expérimentale consiste en un gaz bidimensionnel d'atomes de rubidium confinés dans une boîte à fond plat de géométrie ajustable. Notre dispositif offre un contrôle élevé sur le gaz, nous permettant de concevoir des potentiels et des textures de spin arbitraires. La première investigation explore les solitons, des paquets d'ondes stables qui maintiennent leur forme pendant la propagation. Après avoir revu les fondements théoriques, cette thèse présente la réalisation expérimentale de solitons magnétiques. Ceux-ci apparaissent comme une composante de spin localisée immergée dans un bain d'une autre composante. Lorsqu'ils sont soumis à une force constante, ces solitons présentent un mouvement oscillatoire. Ce comportement est similaire à celui d'un électron dans un cristal effectuant des oscillations de Bloch, malgré l'absence de potentiel périodique. Ce phénomène remarquable découle, dans les deux cas, de la périodicité inhérente à la relation énergie-impulsion. Des expériences dans des géométries linéaires et en anneau vérifient ces oscillations. Dans la configuration en anneau, nous démontrons que les oscillations peuvent générer des courants quantifiés. Cela représente un nouveau mécanisme pour créer des courants persistants dans les fluides quantiques. La seconde étude examine comment la modulation spatiale affecte la superfluidité, c'est-à-dire la capacité d'un fluide à s'écouler sans friction. La thèse démontre expérimentalement que briser la symétrie translationnelle dans un condensat de Bose-Einstein réduit la fraction superfluide. Cela confirme les prédictions des travaux pionniers de Leggett. Nous utilisons des réseaux optiques pour créer des modulations de densité contrôlées. La fraction superfluide est mesurée en utilisant deux méthodes :par la propagation du son et les mesures de compressibilité, et via l'analyse du profil de densité du nuage. Les résultats confirment la réduction attendue de la fraction superfluide. Ces découvertes ont une pertinence particulière pour les supersolides, un état de la matière présentant des propriétés superfluides coexistant avec un ordre spatial spontané.
Effets périodiques induits dans les condensats de Bose-Einstein : oscillations de Bloch de solitons et fraction superfluide Cette thèse étudie deux phénomènes dans les condensats de Bose-Einstein liés à la périodicité : temporelle dans le premier cas et spatiale dans le second. La théorie est passée en revue et des expériences sont réalisées avec des atomes ultra-froids. Plus précisément, notre plateforme expérimentale consiste en un gaz bidimensionnel d'atomes de rubidium confinés dans une boîte à fond plat de géométrie ajustable. Notre dispositif offre un contrôle élevé sur le gaz, nous permettant de concevoir des potentiels et des textures de spin arbitraires. La première investigation explore les solitons, des paquets d'ondes stables qui maintiennent leur forme pendant la propagation. Après avoir revu les fondements théoriques, cette thèse présente la réalisation expérimentale de solitons magnétiques. Ceux-ci apparaissent comme une composante de spin localisée immergée dans un bain d'une autre composante. Lorsqu'ils sont soumis à une force constante, ces solitons présentent un mouvement oscillatoire. Ce comportement est similaire à celui d'un électron dans un cristal effectuant des oscillations de Bloch, malgré l'absence de potentiel périodique. Ce phénomène remarquable découle, dans les deux cas, de la périodicité inhérente à la relation énergie-impulsion. Des expériences dans des géométries linéaires et en anneau vérifient ces oscillations. Dans la configuration en anneau, nous démontrons que les oscillations peuvent générer des courants quantifiés. Cela représente un nouveau mécanisme pour créer des courants persistants dans les fluides quantiques. La seconde étude examine comment la modulation spatiale affecte la superfluidité, c'est-à-dire la capacité d'un fluide à s'écouler sans friction. La thèse démontre expérimentalement que briser la symétrie translationnelle dans un condensat de Bose-Einstein réduit la fraction superfluide. Cela confirme les prédictions des travaux pionniers de Leggett. Nous utilisons des réseaux optiques pour créer des modulations de densité contrôlées. La fraction superfluide est mesurée en utilisant deux méthodes :par la propagation du son et les mesures de compressibilité, et via l'analyse du profil de densité du nuage. Les résultats confirment la réduction attendue de la fraction superfluide. Ces découvertes ont une pertinence particulière pour les supersolides, un état de la matière présentant des propriétés superfluides coexistant avec un ordre spatial spontané.
Exploration de dynamique de gaz de Bose à température nulle : mesure de la fraction superfluide et observation d'oscillations de Bloch d'un soliton magnétique Pour des densités dans l'espace des phases suffisamment grandes, l'état à N corps d'un gaz de Bose dégénéré peut se décrire par une unique fonction d'onde macroscopique qui obéit à une dynamique non linéaire. Les gaz de bosons ultrafroids sont devenus une plateforme de choix pour la mise en évidence de phénomènes non linéaires, permettant l'étude des solitons, des paquets d'onde stationnaires ayant des propriétés de stabilité remarquables. Les interactions entre atomes dans cette plateforme sont souvent faibles et peuvent être traitées dans une approche de champ moyen. Malgré cela, les interactions jouent un rôle prépondérant dans la physique de ces gaz et permettent d'expliquer notamment le mécanisme de formation des solitons, mais aussi l'émergence d'un état superfluide de la matière à basse température. Cette thèse décrit de récentes études de dynamique de gaz de Bose, menées à température nulle. Après avoir introduit la plateforme expérimentale utilisée ainsi qu'une description théorique de ces gaz de Bose, nous discutons le devenir de la propriété de superfluidité en présence d'une modulation spatiale. Ce travail est en lien direct avec les travaux menés par Leggett en 1970 et avec un état spectaculaire de la matière, connu sous le nom de supersolide. Nous explorons ensuite la physique d'un type spécifique de soliton unidimensionnel, qui apparaît dans des mélanges de spin faiblement immiscibles à deux composantes et qui est connu sous le nom de soliton magnétique. Cette désignation provient d'un autre contexte dans lequel ce soliton apparaît: une chaîne ferromagnétique de spins. Les solitons magnétiques répondent de manière spectaculaire à l'application d'une force uniforme: ils oscillent périodiquement dans le temps, de manière similaire au mouvement d'électrons dans le potentiel périodique créé par des solides, connu sous le nom d'oscillations de Bloch. Pour finir, nous discuterons le début de la construction d'une nouvelle plateforme expérimentale, visant dans le futur à étudier des excitations Rydberg, et la réalisation d'un condensat de Bose-Einstein sans utiliser de pièges magnétiques.
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.
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.
La dynamique quantique dans un potentiel périodique a fait l'objet de nombreuses études depuis les travaux de Bloch, dans les années 30, portant sur la dynamique des électrons dans un solide cristalisé. Cette dynamique est expérimentalement observable à l'aide d'atomes refroidis. L'utilisation de potentiels optiques permet de synthétiser, de façon très souple, des formes variées de potentiels, périodique, stationnaire ou dépendant du temps. Outre la grande variété de potentiels accessibles, l'atout majeur présenté par ces systémes est l'absence de dissipation et de processus de décohérence. Le travail présenté s'inscrit dans cette perspective et propose une description théorique, simple et analytique, de la dynamique quantique dans un potentiel périodique dépendant du temps. Il est connu depuis les travaux de Zener (1934), que la dynamique quantique dans un potentiel périodique en escalier, contrairement à l'intuition classique, est un mouvement d'oscillations nommé Oscillations de Bloch. Nous montrons que lors d'une modulation harmonique du potentiel des phénomènes de résonance apparaissent entre la fréquence de modulation et la fréquence des oscillations de Bloch et engendrent un transport de la particule dans le réseau. Cette dynamique est alors interprétée comme une interférence quantique mettant ainsi en exergue le role fondamental des cohérences quantiques de l'état initial. La réalisation expérimentale récente (1995) de la condensation de Bose Einstein d'un gaz atomique permet d'obtenir un état quantique cohérent mésoscopique. Récemment, des oscillations de Bloch ont été observées à l'aide de tels Ètats. Nous montrons que, outre ces oscillations, le condensat dans un potentiel périodique en escalier présente des régimes dynamiques chaotiques. Notre description introduit une base d'états adaptée et nous pouvons alors décrire la dynamique comme une évolution hamiltonienne classique portant sur les amplitudes et phases des états introduits. Les couplages non-linÈaires entre les différents états engendrent, pour certains états initiaux, des dynamiques chaotiques au sens classique bien que le condensat de Bose Einstein soit un objet quantique.
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.