La dynamique hors équilibre dans un fluide de lumière paraxial Les fluides quantiques produits avec des condensats de Bose-Einstein des gaz d'atomes ultra-froids sont utilisés pour l’exploration de l'évolution hors équilibre des systèmes quantiques à plusieurs corps. D'un autre coté, la propagation paraxiale de la lumière dans un milieu non-linéaire Kerr confère des interactions et une masse effective aux photons, et transforme la lumière en un fluide analogue dont la coordonnée temporelle est la direction de propagation du faisceau. Dans ce travail un tel fluide de lumière est produit dans les vapeurs atomiques de Rubidium. Trois aspects de sa dynamique hors équilibre ont été mis en évidence. D'abord, la perturbation du fluide avec une forte surdensité a permis d'observer son comportement hydrodynamique non-linéaire avec les ondes de choc. Ensuite, en perturbant un état initial Gaussien avec des faibles fluctuations, la pré-thermalisation du fluide a été observée à l'aide de sa cohérence spatiale. Enfin, la réponse du fluide à des trempes d’interactions photoniques survenant à des interfaces de la cellule de vapeur atomique, a été sondée avec ses fluctuations intrinsèques venant du bruit de grenaille du faisceau laser. La mesure du spectre de bruit de densité du fluide a révélé la suppression des fluctuations de densité à faibles impulsions et l’émergence des pics acoustiques à des temps ultérieurs.
La dynamique hors équilibre dans un fluide de lumière paraxial Les fluides quantiques produits avec des condensats de Bose-Einstein des gaz d'atomes ultra-froids sont utilisés pour l’exploration de l'évolution hors équilibre des systèmes quantiques à plusieurs corps. D'un autre coté, la propagation paraxiale de la lumière dans un milieu non-linéaire Kerr confère des interactions et une masse effective aux photons, et transforme la lumière en un fluide analogue dont la coordonnée temporelle est la direction de propagation du faisceau. Dans ce travail un tel fluide de lumière est produit dans les vapeurs atomiques de Rubidium. Trois aspects de sa dynamique hors équilibre ont été mis en évidence. D'abord, la perturbation du fluide avec une forte surdensité a permis d'observer son comportement hydrodynamique non-linéaire avec les ondes de choc. Ensuite, en perturbant un état initial Gaussien avec des faibles fluctuations, la pré-thermalisation du fluide a été observée à l'aide de sa cohérence spatiale. Enfin, la réponse du fluide à des trempes d’interactions photoniques survenant à des interfaces de la cellule de vapeur atomique, a été sondée avec ses fluctuations intrinsèques venant du bruit de grenaille du faisceau laser. La mesure du spectre de bruit de densité du fluide a révélé la suppression des fluctuations de densité à faibles impulsions et l’émergence des pics acoustiques à des temps ultérieurs.
Les fluides quantiques produits avec des condensats de Bose-Einstein des gaz d'atomes ultra-froids sont utilisés pour l’exploration de l'évolution hors équilibre des systèmes quantiques à plusieurs corps. D'un autre coté, la propagation paraxiale de la lumière dans un milieu non-linéaire Kerr confère des interactions et une masse effective aux photons, et transforme la lumière en un fluide analogue dont la coordonnée temporelle est la direction de propagation du faisceau. Dans ce travail un tel fluide de lumière est produit dans les vapeurs atomiques de Rubidium. Trois aspects de sa dynamique hors équilibre ont été mis en évidence. D'abord, la perturbation du fluide avec une forte surdensité a permis d'observer son comportement hydrodynamique non-linéaire avec les ondes de choc. Ensuite, en perturbant un état initial Gaussien avec des faibles fluctuations, la pré-thermalisation du fluide a été observée à l'aide de sa cohérence spatiale. Enfin, la réponse du fluide à des trempes d’interactions photoniques survenant à des interfaces de la cellule de vapeur atomique, a été sondée avec ses fluctuations intrinsèques venant du bruit de grenaille du faisceau laser. La mesure du spectre de bruit de densité du fluide a révélé la suppression des fluctuations de densité à faibles impulsions et l’émergence des pics acoustiques à des temps ultérieurs.
Effets hydrodynamiques dans un fluide paraxial de lumière Le fluide quantique de la lumière désigne un gaz de photons en interaction faible qui est formé par un faisceau laser paraxial se propageant dans un milieu de Kerr non linéaire en remplaçant la coordonnée temporelle dans le fluide classique par la direction de propagation du faisceau. Il peut être considéré comme un fluide dont la densité est liée à l’intensité du champ, s’écoulant au gradient de la phase comme vitesse dans le plan perpendiculaire à la propagation le long de la coordonnée z de l’axe optique. Dans ce travail, des vapeurs chaudes de Rb comme milieu non linéaire ont été utilisées pour créer un tel fluide photonique. Trois expériences différentes ont été menées afin de déterminer le comportement hydrodynamique du fluide photonique. Tout d’abord, la spectroscopie de Bragg dans un fluide paraxial de lumière en imprimant des analogues de courtes impulsions de Bragg sur le fluide de photons a été mise en œuvre pour explorer le facteur de structure statique et la relation de dispersion de Bogoliubov. Ensuite, la réponse du fluide aux quenches quantiques changement soudain d’interaction, a été réalisée pour étudier la création d’une particule cosmologique analogue. Enfin, la turbulence quantique a été étudiée dans deux fluides de lumière à contre-courant, signalant une signature claire d’un flux d’énergie cinétique des petites aux grandes échelles de longueur dans un fluide quantique via l’observation d’une loi d’échelle de Kolmogorov dans le spectre d’énergie cinétique incompressible. Tous ces éléments démontrent que le fluide photonique est une plateforme idéale pour explorer la dynamique hors équilibre.
Le fluide quantique de la lumière désigne un gaz de photons en interaction faible qui est formé par un faisceau laser paraxial se propageant dans un milieu de Kerr non linéaire en remplaçant la coordonnée temporelle dans le fluide classique par la direction de propagation du faisceau. Il peut être considéré comme un fluide dont la densité est liée à l’intensité du champ, s’écoulant au gradient de la phase comme vitesse dans le plan perpendiculaire à la propagation le long de la coordonnée z de l’axe optique. Dans ce travail, des vapeurs chaudes de Rb comme milieu non linéaire ont été utilisées pour créer un tel fluide photonique. Trois expériences différentes ont été menées afin de déterminer le comportement hydrodynamique du fluide photonique. Tout d’abord, la spectroscopie de Bragg dans un fluide paraxial de lumière en imprimant des analogues de courtes impulsions de Bragg sur le fluide de photons a été mise en œuvre pour explorer le facteur de structure statique et la relation de dispersion de Bogoliubov. Ensuite, la réponse du fluide aux quenches quantiques changement soudain d’interaction, a été réalisée pour étudier la création d’une particule cosmologique analogue. Enfin, la turbulence quantique a été étudiée dans deux fluides de lumière à contre-courant, signalant une signature claire d’un flux d’énergie cinétique des petites aux grandes échelles de longueur dans un fluide quantique via l’observation d’une loi d’échelle de Kolmogorov dans le spectre d’énergie cinétique incompressible. Tous ces éléments démontrent que le fluide photonique est une plateforme idéale pour explorer la dynamique hors équilibre.
Fluide de lumière en géomètrie propageante dans une vapeur atomique chaude Les fluides quantiques de lumière constituent l'analogue optique des condensats de Bose-Einstein atomiques. Ils suscitent une attention croissante puisqu'ils permettent de sonder facilement des phénomènes quantiques à N-corps, à l'instar de la superfluidité. Des écoulements superfluides de lumière ont déjà été mis en évidence dans des fluides de polaritons en micro-cavité mais les observations rapportées jusqu'à présent dans les fluides de lumière en géométrie propageante sont moins probantes. Dans cette thèse, nous étudions les propriétés hydrodynamiques de la lumière propageant à quasi-résonance dans une vapeur chaude de rubidium. Alors que les photons n’interagissent pas entre eux dans l'air, la situation est différente dans la vapeur de rubidium, puisqu'une interaction effective entre photons, médiée par le milieu atomique, apparaît. La lumière peut alors être décrite comme un fluide s'écoulant dans le plan perpendiculaire à l'axe optique. L'objectif premier de cette thèse était de démontrer que la lumière, en propageant dans ce système, peut se comporter comme un superfluide. Dans cette perspective, il est nécessaire de mesurer la relation de dispersion à laquelle obéissent les ondes de densité se déplaçant à la surface du fluide. Je montre que cette dispersion dépend linéairement du module du vecteur d'onde quand celui-ci est petit devant la longueur de cicatrisation. D'après le critère de Landau, ceci est suffisant pour garantir l'existence d'écoulements superfluides. Je présente ensuite une expérience visant à mesurer l'annulation de la force de trainée exercée par le fluide de lumière sur un obstacle optique au passage de la transition fluide/superfluide.
Dans ce travail, nous utilisons les fluides quantiques de lumière comme plateforme expérimentale polyvalente pour explorer l'hydrodynamique superfluide et les phénomènes hors d'équilibre. En propageant un faisceau laser quasi résonant à travers une vapeur atomique chaude, nous créons un fluide bidimensionnel de photons dont la dynamique obéit aux mêmes équations que celles des gaz quantiques à interactions répulsives. Ce système optique offre un accès complet à la densité et à la phase, permettant l'observation directe de structures d'écoulement complexes et de la dynamique des vortex quantiques. Nous commençons par établir les propriétés fondamentales de cette plateforme et les principes expérimentaux de sa réalisation. Nous explorons ensuite différents régimes hydrodynamiques, allant des ensembles turbulents de vortex présentant des cascades d'énergie, jusqu'à l'interaction contrôlée de quelques vortex quantifiés. Ces études révèlent des phénomènes tels que la formation de solitons de Jones-Roberts à partir de dipôles vortex-antivortex, l'effondrement du mouvement de « saute-mouton » en ondes de choc dispersives, et la propulsion spontanée de défauts optiques induite par l'émission de vortex. Dans l'ensemble, cette thèse met en lumière la capacité unique des fluides quantiques de lumière à émuler l'hydrodynamique quantique, tout en apportant un nouvel éclairage sur les mécanismes microscopiques qui gouvernent la turbulence.
Dans cette thèse, nous nous intéressons à la propagation d'un faisceau laser au travers d'une vapeur chaude de rubidium. En raison de la non-linéarité du milieu de type Kerr la lumière va, au cours de son évolution dans la vapeur, présenter un comportement qui peut être décrit par l'équation non-linéaire de Schrödinger (ou l'équation de Gross-Pitaevskii) dont une équivalence avec des équations hydrodynamiques dans le plan transverse de propagation est possible. Nous pouvons ainsi observer divers comportements de la lumière identiques à ce que l'on voit dans le cas des ondes de matière tels que pour des liquides ou des gaz : on parle alors de fluide quantique de lumière.Pour étudier de tels phénomènes, une calibration de la non-linéarité de notre milieu est nécessaire. Les propriétés non-linéaires des vapeurs atomiques chaudes étant dépendantes de divers paramètres accessibles expérimentalement tels que la densité atomique, l'intensité laser ou le désaccord, elles permettent une vraie flexibilité. À la suite de ces calibrations, l'étude d'ondes de choc dispersives 2D est entamée. Appuyé par une étude numérique, nous mettons en évidence la présence de phénomènes supplémentaires tels que la non-localité, l'absorption ou encore la saturation de la non-linéarité, effets initialement absents du modèle théorique. Une étude quantitative est alors menée sur ces différents phénomènes montrant des valeurs étonnamment importantes de non-localité (jusqu'à 100 µm) ainsi qu'un impact contre-intuitivement positif de la dissipation sur notre système.Enfin, dans un second projet, l'étude du comportement de vortex est menée depuis leur création via la décomposition d'un soliton sombre jusqu'à leurs interactions et annihilations.Grâce à un système d'imagerie adapté, nous sommes capables d'observer in situ et en temps réel le front d'onde (intensité et phase du faisceau) enfin de propagation nous donnant accès à des informations telles que la densité et la vitesse de notre fluide de lumière. Un travail est aussi effectué sur les conditions initiales nous permettant d'accélérer le processus de création des vortex via l'ajout d'une vitesse initiale au fluide et même d'engendrer des collisions en orientant spécifiquement ces vitesses. Une autre méthode mise au point (scan de la phase relative) nous offre quant à elle la possibilité de travailler dans de biens meilleures conditions de stabilité, nous permettant de considérer nos photons dans un régime hydrodynamique avec une meilleure approximation.