Thermométrie in-situ et transport de spin dans des fils quantiques fermioniques Le comportement des gaz de Fermi en basse dimension se distingue sensiblement de leurs équivalents tridimensionnels. En trois dimensions et en l'absence d'ordre, la majorité des états fermioniques de la matière sont décrits par la théorie du liquide de Landau-Fermi. Dans son cadre, le système est décrit comme un gaz de quasiparticules fermioniques en interaction faible, voire nulle. En revanche, dans le cas unidimensionnel, le spectre du système à basses énergies est entièrement déterminé par des excitations collectives de nature bosonique. Cette thèse décrit l'étude expérimentale des gaz de Fermi en basse dimension en utilisant des atomes de ⁴⁰K. Nous présentons ici trois principaux résultats. Tout d'abord, nous mettons en évidence l'implémentation de techniques nouvelles pour charger et imager individuellement des échantillons d'atomes dans un réseau optique bidimensionnel à espacement large. Ensuite, en utilisant des gaz idéaux, nous conduisons une étude quantitative de profiles de densité in-situ obtenus dans un potentiel externe préalablement calibré pour quantifier le degré de dégénérescence et la dimensionnalité des échantillons préparés. Nous rapportons l'observation de gaz de Fermi dans le régime unidimensionnel. Finalement, nous développons une technique pour séparer et isoler les deux populations de spin d'un gaz de Fermi et l'appliquons pour étudier le transport de spin en présence d'interactions fortes. Nous analysons quantitativement la relaxation du mode dipolaire dans le régime diffusif en fonction de l'intensité des interactions en se plaçant au voisinage d'une résonance de Feshbach en onde s. Nous déterminons la force de traînée ainsi que le coefficient de diffusivité. La valeur minimale mesurée de ce dernier respecte la limite quantique malgré l'absence d'invariance d'échelle dans le système. Ce dernier résultat s'ajoute au corpus de connaissance existante issue de précédentes études expérimentales réalisées avec des gaz de Fermi en deux et trois dimensions.
Thermométrie in-situ et transport de spin dans des fils quantiques fermioniques Le comportement des gaz de Fermi en basse dimension se distingue sensiblement de leurs équivalents tridimensionnels. En trois dimensions et en l'absence d'ordre, la majorité des états fermioniques de la matière sont décrits par la théorie du liquide de Landau-Fermi. Dans son cadre, le système est décrit comme un gaz de quasiparticules fermioniques en interaction faible, voire nulle. En revanche, dans le cas unidimensionnel, le spectre du système à basses énergies est entièrement déterminé par des excitations collectives de nature bosonique. Cette thèse décrit l'étude expérimentale des gaz de Fermi en basse dimension en utilisant des atomes de ⁴⁰K. Nous présentons ici trois principaux résultats. Tout d'abord, nous mettons en évidence l'implémentation de techniques nouvelles pour charger et imager individuellement des échantillons d'atomes dans un réseau optique bidimensionnel à espacement large. Ensuite, en utilisant des gaz idéaux, nous conduisons une étude quantitative de profiles de densité in-situ obtenus dans un potentiel externe préalablement calibré pour quantifier le degré de dégénérescence et la dimensionnalité des échantillons préparés. Nous rapportons l'observation de gaz de Fermi dans le régime unidimensionnel. Finalement, nous développons une technique pour séparer et isoler les deux populations de spin d'un gaz de Fermi et l'appliquons pour étudier le transport de spin en présence d'interactions fortes. Nous analysons quantitativement la relaxation du mode dipolaire dans le régime diffusif en fonction de l'intensité des interactions en se plaçant au voisinage d'une résonance de Feshbach en onde s. Nous déterminons la force de traînée ainsi que le coefficient de diffusivité. La valeur minimale mesurée de ce dernier respecte la limite quantique malgré l'absence d'invariance d'échelle dans le système. Ce dernier résultat s'ajoute au corpus de connaissance existante issue de précédentes études expérimentales réalisées avec des gaz de Fermi en deux et trois dimensions.
Le comportement des gaz de Fermi en basse dimension se distingue sensiblement de leurs équivalents tridimensionnels. En trois dimensions et en l'absence d'ordre, la majorité des états fermioniques de la matière sont décrits par la théorie du liquide de Landau-Fermi. Dans son cadre, le système est décrit comme un gaz de quasiparticules fermioniques en interaction faible, voire nulle. En revanche, dans le cas unidimensionnel, le spectre du système à basses énergies est entièrement déterminé par des excitations collectives de nature bosonique. Cette thèse décrit l'étude expérimentale des gaz de Fermi en basse dimension en utilisant des atomes de ⁴⁰K. Nous présentons ici trois principaux résultats. Tout d'abord, nous mettons en évidence l'implémentation de techniques nouvelles pour charger et imager individuellement des échantillons d'atomes dans un réseau optique bidimensionnel à espacement large. Ensuite, en utilisant des gaz idéaux, nous conduisons une étude quantitative de profiles de densité in-situ obtenus dans un potentiel externe préalablement calibré pour quantifier le degré de dégénérescence et la dimensionnalité des échantillons préparés. Nous rapportons l'observation de gaz de Fermi dans le régime unidimensionnel. Finalement, nous développons une technique pour séparer et isoler les deux populations de spin d'un gaz de Fermi et l'appliquons pour étudier le transport de spin en présence d'interactions fortes. Nous analysons quantitativement la relaxation du mode dipolaire dans le régime diffusif en fonction de l'intensité des interactions en se plaçant au voisinage d'une résonance de Feshbach en onde s. Nous déterminons la force de traînée ainsi que le coefficient de diffusivité. La valeur minimale mesurée de ce dernier respecte la limite quantique malgré l'absence d'invariance d'échelle dans le système. Ce dernier résultat s'ajoute au corpus de connaissance existante issue de précédentes études expérimentales réalisées avec des gaz de Fermi en deux et trois dimensions.
Cette thèse aborde deux problèmes ayant trait à la physique des gaz quantiques de basse dimensionnalité. Le premier système étudié est un mélange unidimensionnel de bosons et de fermions sans spin soumis à un potentiel aléatoire. Nous commençons par écrire un Hamiltonien de basse énergie et abordons la question de la localisation du point de vue de l'accrochage des ondes de densité par un désordre faible. En utilisant le Groupe de Renormalisation et une méthode variationnelle dans l'espace des répliques, le diagramme de phase peut être tracé en fonctions de deux paramètres : la force des interactions Bose-Bose et Bose-Fermi. La position et les propriétés des phases dépendent d'un paramètre additionnel, le rapport des vitesses du son de chaque composante du gaz. Quelque soit la valeur de ce rapport nous trouvons trois phases, (i) une phase totalement délocalisée, le liquide de Luttinger à deux composantes, (ii) une phase totalement localisée où les deux composantes sont accrochées par le désordre et (iii) une phase intermédiaire où seuls les fermions sont localisés. Le deuxième système est un gaz de bosons de cœur dur sur un réseau en échelle. Trois paramètres en contrôlent la physique : les amplitudes de saut transverse et longitudinale, et le remplissage. En utilisant plusieurs méthodes analytiques (théorie des perturbations, bosonisation et RG) nous proposons une interprétation de résultats numériques nouveaux obtenus par nos collaborateurs, notamment sur le paramètre de Luttinger du mode symétrique. Nous en déduisons un diagramme de phase en présence de désordre faible.
Dynamique de spin résonnante et croisements dimensionnels 3D-1D dans les gaz de Fermi ultra-froids L’exploration de systèmes quantiques à N corps fortement corrélés représente l’un des domaines de recherche les plus stimulants de la physique contemporaine. Au cours des trente dernières années, les vapeurs diluées d’atomes neutres en suspension dans le vide et contrôlées par un laser sont devenues une plate-forme polyvalente et formidable pour l’étude de tels systèmes. L’intérêt principal réside dans la capacité d’ajuster arbitrairement la force de l’interaction atomique au moyen de résonances de Feshbach induites magnétiquement, ainsi que la possibilité de créer une large gamme de potentiels via des champs optiques précisément adaptés. Cette thèse présente les résultats récents de l’expérience FerMix, consacrée à l’étude des systèmes quantiques à plusieurs corps fermioniques à des températures ultra-basses utilisant les atomes alcalins 40K et 6Li. Les principaux résultats présentés dans ce texte sont doubles. Premièrement, nous rapportons la caractérisation expérimentale d’une nouvelle résonance de Feshbach (s,d)-wave du 40K, dont les résultats sont comparés aux prédictions théoriques correspondantes. En particulier, le spectre du taux de perte inélastique est déterminé pour différentes températures et profondeurs de piège, ce qui nous permet d’identifier les pertes en tant que processus à deux corps. De plus, il est confirmé que le canal d’entrée dominant est de type s-wave. À l’aide de modèles d’équation de taux, nous analysons le réchauffement observé de l’ensemble atomique et trouvons que le comportement est cohérent avec l’état lié prévu L = 2 présent dans le canal de sortie. Enfin, nous étudions expérimentalement la dynamique des populations de spin induite par les collisions inélastiques renforcées par résonance dans l’onde d, en observant un bon accord avec nos modèles numériques. En second lieu, nous résumons nos progrès dans l’étude des croisements dimensionnels entre le liquide de Tomonaga-Luttinger en 1D et le liquide de Landau-Fermi en 3D en utilisant les gaz de Fermi de 40K confinés dans un réseau optique à grand pas. Cela inclut à la fois les considérations de conception fondamentales et l’installation du matériel expérimental requis.
Vers la réalisation expérimentale d'un gas de fermions à une dimension en interactions fortes Cette thèse décrit les récents résultats de l’expérience FerMix, expérience dédiée à l’étude des systèmes fermioniques quantiques à N corps à ultra basse température. Pour cela, des ensembles d’atomes de ⁴⁰K sont utilisés. Nous présentons ici deux principaux résultats. En premier lieu, nous décrivons le dispositif expérimental ainsi que les étapes menant à la préparation d’un gaz fermionique fortement dégénéré composé de 1.5×10⁴ atomes de ⁴⁰K à une température de T/TF = 0.14, soit juste en-dessous de la température critique de superfluidité. En second lieu, nous rapportons nos progrès pour explorer le croisement dimensonnel entre les liquides de Tomonaga- Luttinger à 1D et ceux de Landau-Fermi à 3D. Pour ce faire, nous confinons notre gaz de Fermi ultrafroid au sein d’un réseau optique 2D à grand pas. Après la description du dispositif utilisé et la caractérisation du potentiel périodique, nous discutons de la stratégie mise en oeuvre pour transférer les atomes dans le réseau 1D puis au sein de l’onde stationnaire 2D. Le chargement du réseau 1D représente l’accomplissement final présenté dans ce manuscrit : la réalisation d’un gaz de Fermi dégénéré à deux dimensions, composé de 250 atomes par état de spin et à une témperature de T/TF = 0.34.
Cette thèse décrit les récents résultats de l’expérience FerMix, expérience dédiée à l’étude des systèmes fermioniques quantiques à N corps à ultra basse température. Pour cela, des ensembles d’atomes de ⁴⁰K sont utilisés. Nous présentons ici deux principaux résultats. En premier lieu, nous décrivons le dispositif expérimental ainsi que les étapes menant à la préparation d’un gaz fermionique fortement dégénéré composé de 1.5×10⁴ atomes de ⁴⁰K à une température de T/TF = 0.14, soit juste en-dessous de la température critique de superfluidité. En second lieu, nous rapportons nos progrès pour explorer le croisement dimensonnel entre les liquides de Tomonaga- Luttinger à 1D et ceux de Landau-Fermi à 3D. Pour ce faire, nous confinons notre gaz de Fermi ultrafroid au sein d’un réseau optique 2D à grand pas. Après la description du dispositif utilisé et la caractérisation du potentiel périodique, nous discutons de la stratégie mise en oeuvre pour transférer les atomes dans le réseau 1D puis au sein de l’onde stationnaire 2D. Le chargement du réseau 1D représente l’accomplissement final présenté dans ce manuscrit : la réalisation d’un gaz de Fermi dégénéré à deux dimensions, composé de 250 atomes par état de spin et à une témperature de T/TF = 0.34.
Dans cette thèse, nous étudions l'influence du désordre sur les propriétés d'équilibre et de transport de gaz de Bose bidimensionnels dans le régime de dégénérescence quantique. Les échantillons étudiés sont des nuages de Rubidium 87 ultra-froids, refroidis et piégés par des méthodes optiques, confinés à deux dimensions entre deux nappes de lumières. Le potentiel désordonné est un potentiel optique de speckle. La première expérience que nous décrivons est une étude des propriétés de cohérence du gaz en interaction au voisinage de la transition superfluide, appelée transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless. Nous étudions quantitativement le comportement de la distribution d'impulsion du gaz par mesure de temps de vol. Nos résultats sont en accord avec une simulation Monte-Carlo Quantique. En présence de désordre, nous observons que l'augmentation de la cohérence est décalée vers les plus basses entropies. Ce résultat constitue une première étape dans l'étude détaillée des effets combinés des interactions et du désordre pour des gaz de Bose 2D. Notre deuxième expérience est une étude des propriétés de transport d'un gaz 2D en expansion dans le désordre. Nous étudions d'abord le régime de diffusion classique. Nous observons la décroissance caractéristique de la densité centrale en fonction du temps et nous mesurons les coefficients de diffusion dépendant de l'énergie. Les résultats expérimentaux sont en accord avec une simulation numérique classique. Nous décrivons les améliorations expérimentales mises en place pour atteindre le régime de diffusion quantique et la localisation d'Anderson, ainsi qu'une simulation numérique avec laquelle nous explorons des signatures expérimentales de la localisation faible et forte.