Etude miscroscopique de la distibution en impulsion de condensats de Bose-Eintein d'Hélium métastable

investigation of the momentum distribution of Bose-Einstein condensates of metastable Helium

• Auteur / Autrice : Quentin Bouton
• Direction : Chris Westbrook
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/11/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique atomique
• Jury : Président / Présidente : Patrizia Vignolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chris Westbrook, David Clément, Pierre Pillet, Artur Widera
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Gerbier, Jean-Claude Garreau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférence (optique)

Démodulation (électronique)

Atomes froids

Hélium

Condensation de Bose-Einstein

Mots clés libres

Condensation de Bose Einstein

Helium métastable

Depletion quantique

Détecteur à atome unique

Superfluide sur réseau

Refroidissement laser

Bose Einstein condensate

Metastable Helium

Quantum depletion

Single atom detection

Superfluid lattice

Laser cooling

Résumé

Ce travail de thèse décrit la première observation directe de particules associées à la déplétion quantique et de premières mesures dans l’espace des impulsions d’un superfluide sur réseau. Ces observations ont été réalisées à partir d'un gaz dégénéré d'Hélium métastable sur un tout nouvel dispositif expérimental, dont la construction a été terminée au cours de cette thèse. Permise par l’Hélium métastable, notre détection électronique sensible à l’atome unique donne accès à la distribution tridimensionnelle dans l’espace des impulsions k.Nous avons d’abord développé une approche hybride pour la réalisation de condensats de Bose-Einstein, qui utilise un piège magnétique comme réservoir du piège dipolaire. Cette méthode permet la production rapide de condensats de Bose-Einstein toutes les 6 secondes sur notre expérience. Nous avons alors pu observer, pour la première fois, les particules excitées hors du condensat à cause des interactions (déplétion quantique). En particulier, nous avons observé la loi de puissance en 1/k4 dans la distribution pour de larges impulsions k, comme attendue dans la théorie de Bogoliubov. Enfin nous avons étudié les distributions de superfluide sur réseau. Il s’agit d’une première mesure de la distribution en impulsion dans un réseau comme le démontre les simulations numériques (Monte-Carlo quantique). Les effets de températures sur les distributions mesurées sont extrêmement visibles, ce qui ouvre la voie à une thermométrie des superfluides sur réseau.

In this thesis, we report the first observation of the particles associated with the quantum depletion and the first measurements of the momentum distribution of correlated superfluid lattice bosons. We performed the experiment with a degenerate metastable Helium gas with a novel experimental setup. Making possible with metastable Helium, our electronic detection allows single-atom detection in momentum space k.Firsly, we have demonstrated a new approach to Bose-Einstein condensation of metastable Helium using a hybrid trap, consisting of a magnetic quadrupole and a crossed optical dipole trap. It results in production of a condensate every 6 seconds. Then we observed the excited particles out of the condensate wavefunction due to presence of the interactions (quantum depletion). We observe atom distributions decaying at large momenta k with the 1/k4 power-law predicted by Bogoliubov theory. Furthermore we studied the three-dimensional far field distribution of correlated superfluid lattice bosons. The momentum distributions of the trapped atoms calculated with an ab-initio Monte-Carlo Worm algorithm for the experimental parameters are in excellent agreement with the measured distributions. The finite temperature effect is not negligible, paving the way for a precise thermometry.