Transitions de localisation collective dans les superfluides de Bose désordonnés ou quasipériodiques

Collective localization transitions in interacting disordered and quasiperiodic Bose superfluids

• Auteur / Autrice : Samuel Lellouch
• Direction : Laurent Sanchez-Palencia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique atomique
• Jury : Président / Présidente : Pascal Simon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Minguzzi, Giovanni Modugno
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Claude Garreau, Tommaso Roscilde

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions métal-isolant

Bose-Einstein, Gaz de

Ordre et désordre (physique)

Quasi-particules

Mots clés libres

Excitations collectives

Désordre

Théorie de Bogoliubov

Gaz de Bose

Transition de localisation

Localisation à N corps

Potentiel quasipériodique

Collective excitations

Disorder

Bogoliubov theory

Weakly-interacting Bose gas

Many-body localization

Localization transition

Mobility edge

Quasiperiodic potential

Résumé

Ce mémoire présente une étude théorique des propriétés de localisation collective dans les superfluides de Bose désordonnés ou quasipériodiques. S'il est connu depuis Anderson que le désordre peut localiser les particules libres, comprendre ses effets dans les systèmes quantiques en interaction, où il est à l'origine de transitions de phase et d'effets de localisation non-Triviaux, représente aujourd'hui un défi majeur. En nous focalisant sur le cas d'un gaz de Bose dans le régime de faibles interactions, bien décrit par la théorie de Bogoliubov, nous étudions les transitions de localisation de ses excitations collectives dans différents contextes. Dans le cas d'un vrai désordre dans l'espace continu tout d'abord, nous développons un formalisme de désordre fort allant au-Delà des études antérieures, aboutissant à une description complète des propriétés de localisation des excitations en dimension arbitraire. Nous présentons un diagramme de localisation générique, et une interprétation microscopique de la propagation des excitations dans le désordre. Dans un second temps, nous considérons le cas d'un potentiel quasipériodique unidimensionel, aux propriétés intermédiaires entre un vrai désordre et un potentiel périodique. Notre traitement analytique et numérique du problème révèle une transition de localisation collective, que nous caractérisons et interprétons en termes de localisation dans un potentiel effectif multiharmonique. Pour finir, nous considérons le cas d'un gaz de Bose à deux composants. Nous développons le formalisme général pour étudier ces questions et décrivons la physique de base de ces systèmes qui présentent leurs propres spécificités.

In this thesis, we theoretically investigate the collective localization properties of weakly-Interacting Bose superfluids subjected to disordered or quasiperiodic potentials. While disorder has been recognized since Anderson to induce single-Particle localization, the interplay between disorder and interactions in quantum systems is today among the most challenging questions in the field, and underlies fascinating phase transitions and non-Trivial localization effetcs. Focusing on Bose gases in the weakly-Interacting regime for which the Bogoliubov theory proves a successful tool, we study the localization transitions of collective excitations in several contexts. First, in the case of a continuous true disorder, we develop a strong-Disorder formalism going beyond previous studies, providing us with a complete description of the localization behaviour of collective excitations in arbitrary dimension. A generic localization diagram is obtained and the transport of excitations in the disorder is microscopically interpreted. Secondly, we consider the case of one-Dimensional quasiperiodic potentials, which are known to display intermediate properties between periodic and disordered ones. We perform a numerical and analytical treatment of the localization problem of collective excitations, allowing us to quantitatively characterize and interpret the localization transition in terms of an effective multiharmonic problem. Finally, we set up the general inhomogeneous formalism to address such issues in multicomponent Bose gases, and enlighten the basic physic of such systems, which are known to exhibit their own specific features.