Exploring the dynamics of zero-temperature Bose gases : measurement of the superfluid fraction and observation of Bloch-like oscillations of a magnetic soliton
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.
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.
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.
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.
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.
Cette thèse étudie deux phénomènes dans les condensats de Bose-Einstein liés à la périodicité : temporelle dans le premier cas et spatiale dans le second. La théorie est passée en revue et des expériences sont réalisées avec des atomes ultra-froids. Plus précisément, notre plateforme expérimentale consiste en un gaz bidimensionnel d'atomes de rubidium confinés dans une boîte à fond plat de géométrie ajustable. Notre dispositif offre un contrôle élevé sur le gaz, nous permettant de concevoir des potentiels et des textures de spin arbitraires. La première investigation explore les solitons, des paquets d'ondes stables qui maintiennent leur forme pendant la propagation. Après avoir revu les fondements théoriques, cette thèse présente la réalisation expérimentale de solitons magnétiques. Ceux-ci apparaissent comme une composante de spin localisée immergée dans un bain d'une autre composante. Lorsqu'ils sont soumis à une force constante, ces solitons présentent un mouvement oscillatoire. Ce comportement est similaire à celui d'un électron dans un cristal effectuant des oscillations de Bloch, malgré l'absence de potentiel périodique. Ce phénomène remarquable découle, dans les deux cas, de la périodicité inhérente à la relation énergie-impulsion. Des expériences dans des géométries linéaires et en anneau vérifient ces oscillations. Dans la configuration en anneau, nous démontrons que les oscillations peuvent générer des courants quantifiés. Cela représente un nouveau mécanisme pour créer des courants persistants dans les fluides quantiques. La seconde étude examine comment la modulation spatiale affecte la superfluidité, c'est-à-dire la capacité d'un fluide à s'écouler sans friction. La thèse démontre expérimentalement que briser la symétrie translationnelle dans un condensat de Bose-Einstein réduit la fraction superfluide. Cela confirme les prédictions des travaux pionniers de Leggett. Nous utilisons des réseaux optiques pour créer des modulations de densité contrôlées. La fraction superfluide est mesurée en utilisant deux méthodes :par la propagation du son et les mesures de compressibilité, et via l'analyse du profil de densité du nuage. Les résultats confirment la réduction attendue de la fraction superfluide. Ces découvertes ont une pertinence particulière pour les supersolides, un état de la matière présentant des propriétés superfluides coexistant avec un ordre spatial spontané.
Gaz quantiques à plusieurs composantes sous champ de jauge La première observation de la condensation de Bose-Einstein (BEC) dans les vapeurs atomiques diluées a été une percée fondamentale, vérifiant le concept théorique prédit par Bose et Einstein il y a plusieurs décennies, révélant la propriété statistique des particules quantiques. Depuis lors, un nouveau champ est apparu et les expérimentateurs sont en mesure d'étudier cette matière artificielle de manière très propre et contrôlable. Les systèmes à atomes froids nous permettent d’explorer toute une série de phénomènes fondamentaux extrêmement difficiles voire impossibles à étudier dans des matériaux réels, tels que l’oscillation de Bloch, la transition superfluide-Mott, la topologie de la structure de la bande, le magnétisme orbital, pour ne nommer que ceux-ci. Ces progrès permettent la simulation quantique d'une grande classe d'hamiltoniens soumis au champ magnétique. En effet, les phénomènes de matière condensée sous de forts champs magnétiques intriguent toujours et sont au centre des recherches modernes. Une échelle est la géométrie la plus simple où l'on peut avoir un aperçu des effets d’un champ de jauge synthétique.dans un systèmes quantiques à deux dimensions.La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'échelle à double anneau soumise à des flux de jauge.À travers des calculs numériques et analytiques, nous explorons le diagramme de phases du système en révélant les phases connues telles que la phase de Meissner, vortex et « biased ladder » phases, ainsi que l’effet de commensurabilité du flux total. Grâce à l'approximation de Bogoliubov, nous pouvons déduire le spectre d'excitation du système et la nature des modes à basse énergie dans les différentes phases, révélant des effets de supersolidités ainsi d'oscillation de Josephson entre les anneaux. Le régime d'interaction infinie entre le boson nous a permis d'utiliser une cartographie exacte entre fermions et bosons à l'aide de la transformation de Jordan-Wigner pour caractériser les propriétés de l'état fondamental. Nous explorons le régime intermédiaire des interactions via la théorie des Liquide de Luttinger. Grâce à l’expansion de mode et à l’approche de re-fermionisation de l’Hamiltonien bosonisé du double anneau sous flux de jauge, nous montrons les particularités de la condition aux limites périodiques de taille finie sur le courant dans le double anneau en présence d’une barrière permettant la simulation d’un champ de jauge.Les excitons-polaritons dans les microcavités semi-conductrices constituent un formidable terrain de jeu pour l'étude des fluides quantiques de la lumière où des effets remarquables, similaires à ceux observés dans les expériences sur les atomes froids, se produisent. Même si ce fluide quantique de lumière est supposé être composé d’un état macroscopiquement occupé la nature hors équilibre du gaz rend la comparaison avec les condensats typiques des expériences d’atomes froids plutôt non triviale.La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'étude des excitons-polariton dans le réseau en nid d'abeille. Dans ces réseaux les excitations à faible énergie sont des particules de Dirac sans masse et chirales. Les exciton-polaritons, qui sont des particules composites de lumière, retrouvent leur caractère relativiste dans ce reseau mais dans un contexte où la condensation est possible. Les caractéristiques des bosons dans le réseau en nid d’abeilles, y compris les fonctions de Green retardés, le mécanisme de sélection de la zone de Brillouin et le lien avec la géométrie du réseau. Nous montrons que les modes de désintégration sont supprimés en raison de la symétrie du réseau menant à la possibilité de créer un état sombre polaritonique. On obtient ensuite le spectre d’excitation de Bogoliubov. La courbe de bistabilité habituelle est instable au-dessus du point C, montrant la chute de la théorie du champ moyen en raison de la possibilité d'un état hautement non classique. Enfin, expérience et théorie sont comparées.
Dynamique et stabilité d'un mélange de Bose-Fermi : contre-courant de superfluides et pertes inélastiques dans un gaz fortement corrélé La compréhension des effets des interactions dans un ensemble de particules quantiques représente un enjeu majeur de la physique moderne. Les atomes ultra-froids sont rapidement devenus un outil incomparable pour étudier ces systèmes quantiques fortement corrélés. Dans cette thèse, nous présentons plusieurs travaux portant sur les propriétés d’un mélange de superfluides de Bose et de Fermi créé à l’aide de vapeurs ultra-froides de ⁷Li et de ⁶Li. Nous étudions tout d'abord les propriétés hydrodynamiques du mélange en créant un contre-courant entre les superfluides. L'écoulement est dissipatif uniquement au dessus d'une vitesse critique que nous mesurons dans le crossover BEC-BCS. Une simulation numérique d’un contre-courant de deux condensats permet de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents mis en jeu dans la dynamique. En particulier, l'étude numérique fournit des preuves supplémentaires que l'origine de la dissipation dans nos expériences est liée à l'émission d'excitation élémentaires dans chaque superfluide. Finalement, nous nous intéressons aux pertes inélastiques par recombinaison à trois corps qui peuvent limiter la stabilité de nos nuages. Ces pertes sont intimement liées aux corrélations à courte distance présentes dans le système et sont ainsi connectées aux propriétés universelles du gaz quantique. Cela se manifeste notamment par l’apparition de dépendances en densité ou en température inusuelles du taux de perte lorsque le système devient fortement corrélé. Nous démontrons cet effet dans deux exemples où les interactions sont résonantes, le cas du gaz de Bose unitaire et celui de notre mélange de superfluides Bose-Fermi. Plus généralement, nos travaux montrent que ces pertes inélastiques peuvent être utilisées pour sonder les corrélations quantiques dans un système en fortes interactions.