Localisation à N-corps de bosons désordonnés à deux dimensions Au sein de physique des systèmes quantiques désordonnés, le domaine des atomes ultra-froids est en pleine croissance. En l’occurrence, l'étude de la relation entre la localisation et les interactions a permis de découvrir la richesse de la physique de la localisation à N-corps. Ce phénomène remarquable fournit un mécanisme pour la brisure de l'ergodicité dans les systèmes quantiques isolés et désordonnés. Plusieurs questions ont été évoquées après cette découverte, comme la possibilité d'une transition fluide-isolant à température finie. Dans cette thèse, j'étudie la localisation à N-corps dans le contexte de bosons désordonnés à deux dimensions. Dans la première partie, je présente l'étude d'un gaz interactif de Bose bidimensionnel dans un potentiel aléatoire à température finie. Le système présente deux transitions à température finie: la transition de localisation à N-corps entre fluide et isolant, et la transition de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless entre superfluide algébrique et fluide. J'examine ensuite l'influence de la troncature de la distribution d'énergie dû au piégeage, un phénomène générique dans le cadre du refroidissement d'atomes ultra-froids. Finalement, je conclus en discutant la stabilité de la phase isolante dans des systèmes définis sur un continuum.
Localisation à N-corps de bosons désordonnés à deux dimensions Au sein de physique des systèmes quantiques désordonnés, le domaine des atomes ultra-froids est en pleine croissance. En l’occurrence, l'étude de la relation entre la localisation et les interactions a permis de découvrir la richesse de la physique de la localisation à N-corps. Ce phénomène remarquable fournit un mécanisme pour la brisure de l'ergodicité dans les systèmes quantiques isolés et désordonnés. Plusieurs questions ont été évoquées après cette découverte, comme la possibilité d'une transition fluide-isolant à température finie. Dans cette thèse, j'étudie la localisation à N-corps dans le contexte de bosons désordonnés à deux dimensions. Dans la première partie, je présente l'étude d'un gaz interactif de Bose bidimensionnel dans un potentiel aléatoire à température finie. Le système présente deux transitions à température finie: la transition de localisation à N-corps entre fluide et isolant, et la transition de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless entre superfluide algébrique et fluide. J'examine ensuite l'influence de la troncature de la distribution d'énergie dû au piégeage, un phénomène générique dans le cadre du refroidissement d'atomes ultra-froids. Finalement, je conclus en discutant la stabilité de la phase isolante dans des systèmes définis sur un continuum.
Les gaz d'atomes ultra-froids sont des systèmes à N-corps quantiques extrêmement propres et versatiles qui permettent de revisiter dans un environnement contrôlé des concepts fondamentaux souvent issus de la matière condensée. Dans notre système expérimental, nous travaillons avec des gaz d'atomes de potassium 39, qui sont des bosons et qui offrent la possibilité de modifier à loisir les interactions inter-atomiques grâce à des résonances magnétiques de diffusion, ou résonances de Feshbach. Notre équipe s'intéresse particulièrement à la physique des gaz quantiques en basses dimensions et en présence de désordre. Dans un premier temps, nous présentons l’observation et l’étude de la propagation d'un soliton brillant, une onde de matière 1D en interaction attractive, à travers un potentiel désordonné créé à partir d’une figure de speckle optique. Ce travail constitue la première mise en évidence d’effets non-linéaires sur la propagation d’atomes dans un milieu désordonné. Les limites de l’expérience, notamment en terme d’imagerie et de contrôle des champs magnétiques, ont motivé le design et la construction d’une nouvelle enceinte à vide. La suite du manuscrit est dédiée à la description et la caractérisation du nouveau dispositif expérimental, de sa construction à son utilisation pour la production de condensats de Bose-Einstein. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l’étude de la localisation d’Anderson d’atomes-froids en présence d’une force constante. La localisation d’Anderson est caractérisée par une suppression de la conductivité sous l’effet du désordre. Dans le cadre des atomes-froids, elle s’explique par la prise en compte de la nature ondulatoire des atomes pendant les processus de diffusion dans le milieu désordonné. Bien qu’à 1D la localisation soit toujours présente, des études théoriques prédisent qu’une force constante appliquée au système modifie de manière drastique les signatures de la localisation (décroissance algébrique de la fonction d’onde) et peut conduire à une délocalisation complète du système. L’étude expérimentale que nous avons menée confirme les prédictions théoriques.
Transitions de localisation collective dans les superfluides de Bose désordonnés ou quasipériodiques Ce mémoire présente une étude théorique des propriétés de localisation collective dans les superfluides de Bose désordonnés ou quasipériodiques. S'il est connu depuis Anderson que le désordre peut localiser les particules libres, comprendre ses effets dans les systèmes quantiques en interaction, où il est à l'origine de transitions de phase et d'effets de localisation non-Triviaux, représente aujourd'hui un défi majeur. En nous focalisant sur le cas d'un gaz de Bose dans le régime de faibles interactions, bien décrit par la théorie de Bogoliubov, nous étudions les transitions de localisation de ses excitations collectives dans différents contextes. Dans le cas d'un vrai désordre dans l'espace continu tout d'abord, nous développons un formalisme de désordre fort allant au-Delà des études antérieures, aboutissant à une description complète des propriétés de localisation des excitations en dimension arbitraire. Nous présentons un diagramme de localisation générique, et une interprétation microscopique de la propagation des excitations dans le désordre. Dans un second temps, nous considérons le cas d'un potentiel quasipériodique unidimensionel, aux propriétés intermédiaires entre un vrai désordre et un potentiel périodique. Notre traitement analytique et numérique du problème révèle une transition de localisation collective, que nous caractérisons et interprétons en termes de localisation dans un potentiel effectif multiharmonique. Pour finir, nous considérons le cas d'un gaz de Bose à deux composants. Nous développons le formalisme général pour étudier ces questions et décrivons la physique de base de ces systèmes qui présentent leurs propres spécificités.
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.
Ce mémoire présente une étude théorique des propriétés de localisation collective dans les superfluides de Bose désordonnés ou quasipériodiques. S'il est connu depuis Anderson que le désordre peut localiser les particules libres, comprendre ses effets dans les systèmes quantiques en interaction, où il est à l'origine de transitions de phase et d'effets de localisation non-Triviaux, représente aujourd'hui un défi majeur. En nous focalisant sur le cas d'un gaz de Bose dans le régime de faibles interactions, bien décrit par la théorie de Bogoliubov, nous étudions les transitions de localisation de ses excitations collectives dans différents contextes. Dans le cas d'un vrai désordre dans l'espace continu tout d'abord, nous développons un formalisme de désordre fort allant au-Delà des études antérieures, aboutissant à une description complète des propriétés de localisation des excitations en dimension arbitraire. Nous présentons un diagramme de localisation générique, et une interprétation microscopique de la propagation des excitations dans le désordre. Dans un second temps, nous considérons le cas d'un potentiel quasipériodique unidimensionel, aux propriétés intermédiaires entre un vrai désordre et un potentiel périodique. Notre traitement analytique et numérique du problème révèle une transition de localisation collective, que nous caractérisons et interprétons en termes de localisation dans un potentiel effectif multiharmonique. Pour finir, nous considérons le cas d'un gaz de Bose à deux composants. Nous développons le formalisme général pour étudier ces questions et décrivons la physique de base de ces systèmes qui présentent leurs propres spécificités.
Ce mémoire de thèse est composé de deux parties. La première présente les récents résultats concernant les gaz de Bose bidimensionnels (2D). Dans un gaz de Bose 2D homogène avec interactions, malgré l'absence de condensat de Bose-Einstein à température non nulle, une transition entre une phase normale et une phase superfluide a été prédite par Berezinskii, Kosterlitz et Thouless. Notre expérience a consisté à étudier cette transition pour un gaz d'atomes dans un piège harmonique. Pour cela, nous avons coupé un condensat de Bose-Einstein tridimensionnel en deux nuages 2D indépendants. Nous avons étudié à la fois la perte de la quasi-cohérence du système au dessus d'une température critique et la prolifération de vortex libres issus de la brisure des paires vortex/antivortex présentes dans la phase quasi-cohérente. La coïncidence entre ces deux phénomènes est typique de la transition prévue par Kosterlitz et Thouless. La seconde partie concerne la conception et la réalisation d'une nouvelle expérience de condensation de Bose-Einstein. Les dix années d'expérience depuis la création du premier condensat d'atomes froids ont été mises à profit pour construire un montage simple et robuste. La particularité principale de ce montage est la mise en œuvre d'un transport magnétique permettant aux atomes de voyager entre deux chambres distinctes, la seconde autorisant un excellent accès optique.
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.