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.
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.
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.
Gaz quantiques annulaires dans un piège en forme de bulle : de l'équilibre à la rotation rapide Les gaz quantiques dégénérés constituent une plate-forme idéale pour étudier la superfluidité. Un superfluide annulaire a de nombreuses propriétés subtiles dues à sa géométrie topologique. Dans ce manuscrit, nous présentons trois superfluides annulaires, obtenus par trois mécanismes différents. Le point de départ des expériences est un superfluide confiné au fond d’un piège en forme de bulle, produit par l’habillage des atomes dans un piège quadrupolaire avec des photons radiofréquence (rf). Ce piège adiabatique, présentant une excellente régularité, permet de réaliser ces trois superfluides annulaires. Le premier est un anneau en lévitation, formé à la surface du piège bulle par compensation de la gravité. Nous étudions la structure prise par le nuage atomique, liée à l’effet fin de la polarisation rf et au fort couplage rf. Le second est un piège annulaire, formé à l’équateur de la bulle avec une double nappe lumineuse désaccordée vers le bleu. Nous avons placé le gaz annulaire en rotation par deux méthodes, ce produisant ainsi un courant superfluide permanent et une circulation quantifiée. Enfin, nous avons réalisé un anneau dynamique, qui se forme sous l’effet de la force centrifuge lorsque l’on place les atomes de la bulle en rotation rapide. Il s’agit d’un superfluide supersonique de longue durée de vie dont la vitesse linéaire peut atteindre Mach 18. Nous mettons également en évidence un mode collectif d’un tel superfluide en rotation rapide. La réalisation expérimentale de l’anneau dynamique est une étape importante vers le régime du vortex géant
Les gaz atomiques dégénérés représentent des systèmes modèles pour étudier la superfluidité. Ils offrent la possibilité d'explorer la physique en dimensions restreintes, profondémentdifférente par rapport au cas tridimensionnel. Nous disposons d'un gaz de Bose bidimensionnel dégénéré confiné dans un potentiel très anisotrope et dont on peut changer la géométrie dynamiquement. Une déformation contrôlée du piège permet d'exciter les modes collectifs du gaz. Nous avons fait d'abord une analyse en composantes principales du gaz, et nous avons montré que ces dernières coïncident avec les modes de Bogoliubov. Nous avons ensuite effectué une étude détaillée du mode ciseaux, dont nous nous servons pour sonder le caractère superfluide du gaz, en développant une nouvelle technique d'analyse, appelée "analyse de la moyenne locale". Enfin nous avons réalisé un piège en anneau, obtenu à l'intersection d'un piège en forme de bulle et du potentiel optique d'un faisceau qui présente un noeud d'intensité au centre, la "double nappe", et nous proposons différentes protocoles de mise en rotation des atomes dans l'anneau.
Les gaz atomiques dégénérés représentent des systèmes modèles pour étudier la superfluidité. Ils offrent la possibilité d'explorer la physique en dimensions restreintes, profondémentdifférente par rapport au cas tridimensionnel. Nous disposons d'un gaz de Bose bidimensionnel dégénéré confiné dans un potentiel très anisotrope et dont on peut changer la géométrie dynamiquement. Une déformation contrôlée du piège permet d'exciter les modes collectifs du gaz. Nous avons fait d'abord une analyse en composantes principales du gaz, et nous avons montré que ces dernières coïncident avec les modes de Bogoliubov. Nous avons ensuite effectué une étude détaillée du mode ciseaux, dont nous nous servons pour sonder le caractère superfluide du gaz, en développant une nouvelle technique d'analyse, appelée "analyse de la moyenne locale". Enfin nous avons réalisé un piège en anneau, obtenu à l'intersection d'un piège en forme de bulle et du potentiel optique d'un faisceau qui présente un noeud d'intensité au centre, la "double nappe", et nous proposons différentes protocoles de mise en rotation des atomes dans l'anneau.
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.