Test de l'invariance d'échelle dans un gaz de bosons bidimensionnel : préparation et caractérisation d'ondes solitaires Lorsque la densité dans l'espace des phase d'un gaz de bosons identiques devient suffisamment élevée, il peut alors être décrit par une fonction d'onde macroscopique sujette à une dynamique non linéaire. Ces gaz quantiques sont aujourd'hui devenus des plateformes incontournables dans l'étude des solitons, objets fondamentaux de la physique non linéaire, aussi connus sous le nom d'ondes solitaires. Jusqu'à maintenant, l'essentiel des observations expérimentales de solitons a été limité à des situations unidimensionnelles, où les solitons sont stables naturellement. A l'inverse, les ondes solitaires de plus grande dimension sont généralement fragilisées par la présence d'instabilités dynamiques, rendant leur étude expérimentale plus difficile. Dans cette thèse, nous produisons des ondes solitaires à partir d'un système de bosons bidimensionnel. Après avoir présenté notre dispositif expérimental, nous montrons comment préparer de façon déterministe un soliton de Townes -- une solution remarquable de l'équation de Schrödinger non linéaire en dimension deux. Notre approche s'appuie sur l'utilisation d'un gaz à deux composantes : à partir d'un échantillon uniforme d'atomes dans un état interne donné, nous imprimons la fonction d'onde du soliton grâce à un transfert optique vers un autre état. Nous vérifions que le soliton peut exister sous diverses tailles, confirmant ainsi l'invariance d'échelle du modèle physique sous-jacent. Nous confirmons également la relation liant le nombre d'atomes contenu dans le soliton et la force des interactions. Nos observations expérimentales sont corroborées par des études numériques et théoriques. Par ailleurs, ces considérations nous permettent d'étudier la physique au-delà du modèle simple comportant un soliton de Townes, en considérant des effets allant au-delà du champ moyen. Finalement, nous proposons quelques expériences vouées à étudier les excitations, le mouvement et les collisions de tels solitons.
Test de l'invariance d'échelle dans un gaz de bosons bidimensionnel : préparation et caractérisation d'ondes solitaires Lorsque la densité dans l'espace des phase d'un gaz de bosons identiques devient suffisamment élevée, il peut alors être décrit par une fonction d'onde macroscopique sujette à une dynamique non linéaire. Ces gaz quantiques sont aujourd'hui devenus des plateformes incontournables dans l'étude des solitons, objets fondamentaux de la physique non linéaire, aussi connus sous le nom d'ondes solitaires. Jusqu'à maintenant, l'essentiel des observations expérimentales de solitons a été limité à des situations unidimensionnelles, où les solitons sont stables naturellement. A l'inverse, les ondes solitaires de plus grande dimension sont généralement fragilisées par la présence d'instabilités dynamiques, rendant leur étude expérimentale plus difficile. Dans cette thèse, nous produisons des ondes solitaires à partir d'un système de bosons bidimensionnel. Après avoir présenté notre dispositif expérimental, nous montrons comment préparer de façon déterministe un soliton de Townes -- une solution remarquable de l'équation de Schrödinger non linéaire en dimension deux. Notre approche s'appuie sur l'utilisation d'un gaz à deux composantes : à partir d'un échantillon uniforme d'atomes dans un état interne donné, nous imprimons la fonction d'onde du soliton grâce à un transfert optique vers un autre état. Nous vérifions que le soliton peut exister sous diverses tailles, confirmant ainsi l'invariance d'échelle du modèle physique sous-jacent. Nous confirmons également la relation liant le nombre d'atomes contenu dans le soliton et la force des interactions. Nos observations expérimentales sont corroborées par des études numériques et théoriques. Par ailleurs, ces considérations nous permettent d'étudier la physique au-delà du modèle simple comportant un soliton de Townes, en considérant des effets allant au-delà du champ moyen. Finalement, nous proposons quelques expériences vouées à étudier les excitations, le mouvement et les collisions de tels solitons.
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.
États multi-solitons dans un mélange de spin de Condensats de Bose-Einstein Pour une densité de l'espace de phase suffisamment élevée, un gaz de Bose dilué en interaction peut être décrit par une fonction d'onde macroscopique obéissant à une dynamique non linéaire. Les gaz de Bose ultrafroids forment ainsi des fluides quantiques cohérents dont le comportement devient particulièrement riche à une dimension, où les interactions et l'intégrabilité guident fortement l'évolution. Dans cette thèse, nous étudions un gaz de Bose 1D à deux composantes en interaction faible, qui se décrit par l'équation de Schrödinger non linéaire attractive (NLSE) dans un certain régime, et plus généralement par l'équation de Landau-Lifshitz (LLE), régissant la dynamique de chaînes de spin. Cette correspondance permet la préparation et l'exploration contrôlées de solutions multi-solitons des deux modèles. Nous réalisons d'abord des solitons multiples NLSE et caractérisons leur dynamique, notamment leur comportement respirant distinctif. En utilisant une description complète via LLE, nous étendons ensuite cette mise en œuvre à des solitons multiples avec une déplétion arbitraire, accédant ainsi à une famille plus large de solitons et révélant des caractéristiques intrinsèques à la description sous-jacente de la chaîne de spin. Enfin, nous étudions la brisure de l'intégrabilité et montrons qu'elle entraîne la décomposition des multi-solitons en leurs constituants, rendant ainsi leurs données de diffusion accessibles expérimentalement. Cela fournit une voie contrôlée pour sonder les structures intégrables, ouvrant des perspectives pour l'étude des gaz de solitons, des ondes non linéaires en interaction et de l'émergence de dynamiques complexes à partir de systèmes presque intégrables.
Les propriétés thermodynamiques ainsi que l'évolution temporelle des systèmes bidimensionnels sont nettement différentes de celles de systèmes à trois dimensions. Ce travail de thèse présente des expériences réalisées avec des gaz ultrafroids uniformes de bosons en interaction faible, et confinés à deux dimensions d'espace. Ces expériences permettent de mettre en lumière certains traits caractéristiques de l'équilibre thermique et de la dynamique hors équilibre des systèmes à deux dimensions. Un expérimentateur travaillant avec des atomes froids possède une boîte à outils très fournie : la géométrie, la température, l'état interne des atomes sont très bien contrôlés, et de nombreuses méthodes permettant d'étudier leurs propriétés sont disponibles. En particulier, nous travaillons avec des gaz de densité uniforme dont la géométrie peut être choisie à volonté. Je décris l'installation expérimentale et les outils à notre disposition dans une première partie. Dans une deuxième partie, je présente une série d'expériences concernant la transition de phase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless d'un gaz de Bose bidimensionnel. Il s'agit d'une transition de phase topologique pour laquelle le système présente un ordre à quasi-longue portée en dessous de la température critique. Nous avons développé deux méthodes expérimentales pour sonder cet ordre à quasi-longue portée. Dans une troisième et dernière partie, je détaille les symétries qui sous-tendent la dynamique d'un gaz proche d'une température nulle dans un piège harmonique. Ces symétries sont les symétries cachées de l'équation de Schrödinger non-linéaire, qui décrit plusieurs autres systèmes physiques. Nous avons testé ces symétries expérimentalement, et nous avons également observé des formes dont l'évolution est périodique dans un potentiel harmonique en présence de non-linéarités. Ces formes géométriques pourraient constituer un nouveau type de solutions périodiques de cette équation non-linéaire.
L'objet de cette thèse est l'étude théorique et expérimentale de gaz de Bose à une dimension (1D), confinés à la surface d'une micro-structure. Une part importante du travail de thèse a été la modification du montage expérimental: le système laser a été remplacé, et l'installation d'un nouvel objectif de grande ouverture numérique (0.4) a nécessité le changement du dessin de la puce ainsi que l'adaptation du système à vide. Nous avons étudié les corrélations du second ordre dans l'espace des impulsions, en appliquant une méthode qui nous permet d'enregistrer en une seule image la distribution en vitesses complète de notre gaz. Nos données explorent les différents régimes du gaz à faibles interactions, du gaz de Bose idéal au quasi-condensat. Ces mesures ont montré le phénomène de groupement bosonique dans les deux phases, tandis que le quasi-condensat comporte des corrélations négatives en dehors de la diagonale. Ces anti-corrélations sont une signature de l'absence d'ordre à longue portée en 1D. Les mesures sont en bon accord avec des calculs analytiques ainsi que des simulations numériques de type Monte Carlo Quantique. Ensuite, l'objet d'un second projet est l'étude du refroidissement de gaz 1D. Comme nos échantillons occupent seulement l'état fondamental du piège transverse, il n'est pas possible de sélectionner les atomes les plus énergiques pour évaporer le gaz de façon habituelle. Une méthode alternative, qui repose sur la perte non-sélective d'atomes, a été proposée et mise en pratique expérimentalement par des collègues. Leurs résultats sont compatibles avec des observations faites sur notre montage, très semblable au leur. Tout d'abord, nous avons aussi obtenu des température d'environ 10% de l'énergie de l'état fondamental transverse. Deuxièmement, des simulations champ classique ont montré la robustesse de l'état hors d'équilibre généré par de telles pertes: les différents modes perdent en effet de l'énergie à des taux différents. Ceci est en accord avec l'observation expérimentale suivante: selon la méthode de thermométrie utilisée, chacune explorant des excitations d'énergies différentes, les températures mesurées sont différentes. Enfin, nous relions cet état non-thermique à la nature intégrable du système considéré.
Loi d'échelles dynamiques des gaz de Bose à travers les transitions de phase Au voisinage des transitions de phase continues, les systèmes à N corps présentent souvent une invariance d'échelle et une universalité. Si ces concepts sont relativement bien établis à l'équilibre, l'invariance d'échelle dans les systèmes hors équilibre reste un sujet d'étude encore peu exploré. Dans cette thèse, nous étudions les lois d'échelles dynamiques qui émergent dans les gaz de Bose en interaction, à la suite d'une trempe à travers deux transitions de phase distinctes. La première partie de la thèse porte sur la dynamique d'un gaz de Bose tridimensionnel en interaction faible, au voisinage de la transition de condensation de Bose-Einstein. Dans ce scénario, la dynamique ralentit autour d'un point fixe non thermal, où la distribution en énergie présente un comportement de cascade inverse et suit une loi d'échelle spatio-temporelle. Cette loi est caractérisée par des exposants dynamiques et une fonction d'échelle, tous deux insensibles à l'état initial ou aux détails microscopiques du système. Nous étudions la robustesse de cette loi d'échelle face à des perturbations spatiales et temporelles, sous la forme d'un potentiel désordonné et d'un forçage périodique externe. Cette analyse nous a permis de construire un diagramme de phase dynamique décrivant la compétition entre le comportement de cascade inverse, induit par les interactions, et la dynamique sous-diffusive induite par le désordre et le forçage. Ces lois d'échelle dynamiques sont ensuite caractérisées dans chacun des régimes identifiés. Dans la deuxième partie de la thèse, nous étudions l'émergence d'une dynamique de séparation de phases dans un gaz de Bose bidimensionnel à deux composantes, suivant une trempe à travers la transition de démixtion. Cette dynamique est caractérisée par la formation de domaines, qui croissent de manière algébrique au cours du temps, et elle est décrite par une invariance d'échelle spatio-temporelle de la fonction de corrélation de la différence de densité. Nous proposons un modèle minimal décrivant la dynamique de croissance des domaines, résultant de la compétition entre pression quantique et interactions. Notre théorie effective reproduit correctement la dynamique proche de la transition de démixtion ainsi que les lois d'échelle attendues. Nos résultats suggèrent que, contrairement aux mélanges de fluides classiques, les flux hydrodynamiques ne jouent pas un rôle crucial dans la dynamique des mélanges de superfluides.
Au voisinage des transitions de phase continues, les systèmes à N corps présentent souvent une invariance d'échelle et une universalité. Si ces concepts sont relativement bien établis à l'équilibre, l'invariance d'échelle dans les systèmes hors équilibre reste un sujet d'étude encore peu exploré. Dans cette thèse, nous étudions les lois d'échelles dynamiques qui émergent dans les gaz de Bose en interaction, à la suite d'une trempe à travers deux transitions de phase distinctes. La première partie de la thèse porte sur la dynamique d'un gaz de Bose tridimensionnel en interaction faible, au voisinage de la transition de condensation de Bose-Einstein. Dans ce scénario, la dynamique ralentit autour d'un point fixe non thermal, où la distribution en énergie présente un comportement de cascade inverse et suit une loi d'échelle spatio-temporelle. Cette loi est caractérisée par des exposants dynamiques et une fonction d'échelle, tous deux insensibles à l'état initial ou aux détails microscopiques du système. Nous étudions la robustesse de cette loi d'échelle face à des perturbations spatiales et temporelles, sous la forme d'un potentiel désordonné et d'un forçage périodique externe. Cette analyse nous a permis de construire un diagramme de phase dynamique décrivant la compétition entre le comportement de cascade inverse, induit par les interactions, et la dynamique sous-diffusive induite par le désordre et le forçage. Ces lois d'échelle dynamiques sont ensuite caractérisées dans chacun des régimes identifiés. Dans la deuxième partie de la thèse, nous étudions l'émergence d'une dynamique de séparation de phases dans un gaz de Bose bidimensionnel à deux composantes, suivant une trempe à travers la transition de démixtion. Cette dynamique est caractérisée par la formation de domaines, qui croissent de manière algébrique au cours du temps, et elle est décrite par une invariance d'échelle spatio-temporelle de la fonction de corrélation de la différence de densité. Nous proposons un modèle minimal décrivant la dynamique de croissance des domaines, résultant de la compétition entre pression quantique et interactions. Notre théorie effective reproduit correctement la dynamique proche de la transition de démixtion ainsi que les lois d'échelle attendues. Nos résultats suggèrent que, contrairement aux mélanges de fluides classiques, les flux hydrodynamiques ne jouent pas un rôle crucial dans la dynamique des mélanges de superfluides.