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.
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.
Contrôle tout optique d'un fluide quantique de lumière en vapeur atomique chaude Les fluides quantiques de lumière présentent une plateforme nouvelle et prometteuse dans l’exploration de la physique des particules quantiques en interaction. Ici, nous étudions des fluides constitués de photons dont les interactions sont induites par une vapeur chaude de Rubidium. Pour décrire ces fluides, nous recourrons à un hamiltonien comprenant énergie cinétique, énergie potentielle et énergie d’interaction. Nous présentons dans cette thèse un contrôle tout optique de ces fluides où nous agissons sur chaque terme de ce hamiltonien. Nous avons mis en évidence la générations de corrélations non-classiques induites par le saut des interactions aux interfaces de notre milieu non-linéaire. Le contrôle de la réponse du milieu atomique est ensuite exploré en présentant un cadre numérique extensible qui permet de décrire des structures atomiques arbitraires, que nous utilisons ensuite pour décrire l’effet du pompage optique mis en œuvre afin de graver optiquement des potentiels dans le fluide de lumière. Nous caractérisons ensuite les propriétés de superfluidité des fluides de lumière et mesurons la vitesse critique autour d’un défaut créé grâce au contrôle du potentiel induit par pompage optique. Nous concluons en étudiant les interactions entre vortex optiques à travers une expérience mettant en lumière un comportement turbulent du fluide, et une expérience de collision de vortex optiques ouvrant la voie à la thermodynamique induite par des effets quantiques au-delà du champ moyen.
Fluide de lumière à deux composants dans une vapeur chaude de rubidium Les fluides quantiques de lumière reposent sur l'analogie mathématique entre l'équation de Gross-Pitaevskii, qui décrit les condensats de Bose-Einstein à faibles interactions, et la propagation d'un laser dans un milieu présentant une non linéarité Kerr. Dans notre cas, le milieu induisant des interactions photon-photon effectives est une vapeur chaude de rubidium. Nous pouvons alors étudier la superfluidité, et plus généralement la physique des gaz de Bose, dans un système photonique. Cette thèse porte sur l'extension de cette analogie à la réalisation d'un fluide quantique à deux composants. Les deux polarisations circulaires de la lumière suivent en effet deux équations de Gross-Pitaevskii couplées, et elles peuvent donc être considérées comme les deux composants d'un gaz de Bose binaire. Nous caractérisons les interactions inter- et intra-composants, et réalisons un fluide de lumière à deux composants dans le régime miscible et non-miscible. Dans le régime miscible, nous mesurons les excitations élémentaires, dites de densité et de spin, ainsi que les deux branches de dispersion associées, qui sont la signature fondamentale d'un mélange superfluide. Dans le régime non-miscible, nous étudions la séparation spontanée des deux composants en domaines distincts, après que le fluide soit initialisé comme un mélange homogène. Nous modélisons numériquement et théoriquement ce phénomène dit de “coarsening”, décrit par une dynamique d'échelle universelle, et obtenons des résultats expérimentaux à temps courts. Enfin, nous montrons que le fluide binaire non-miscible est une plateforme prometteuse pour l'étude d'instabilités hydrodynamiques.
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.
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.
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.
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.