Dynamique hors équilibre d'un condensat de Bose-Einstein dans un réseau dépendant du temps

Out of equilibrium dynamics of a Bose-Einstein condensate in a time dependent lattice

• Auteur / Autrice : Aéla Fortun
• Direction : David Guéry-Odelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière
• Date : Soutenance le 19/07/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Pettinari-Sturmel, Juan Gonzalo Muga
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Champenois, Florian Schreck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique physique

Effet tunnel

Condensation de Bose-Einstein

Mots clés libres

Condensat de Bose-Einstein

Réseau optique

Effet tunnel

Staggered state

Bose-Einstein condensate

Optical lattice

Tunnel effect

Staggered state

Résumé

Ce manuscrit présente le travail réalisé dans le cadre de ma thèse dans l'équipe Atomes Froids du laboratoire CAR de l'université Toulouse III Paul Sabatier. L'un des projets de recherche de cette équipe est l'étude du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau optique modulé en temps et notamment l'étude de l'impact du chaos à la limite classique sur le comportement quantique d'une particule. L'objectif de mon travail est de développer les outils nécessaires à cette étude. La première étape a été de construire l'ensemble du dispositif expérimental de l'équipe, qui est opérationnel depuis mai 2015. Nous présenterons donc ce dispositif ainsi que les techniques de refroidissement que nous avons mises en place. La suite du manuscrit est consacrée à l'étude du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau optique créé par l'interférence constructive de deux faisceaux laser contra-propageants. Le potentiel ainsi créé peut être contrôlé dynamiquement via la puissance et la phase relative des deux faisceaux. Mon travail s'est surtout concentré sur le contrôle de la phase relative. Nous avons notamment développé une nouvelle méthode de calibration qui repose sur l'analyse de la micro-oscillation d'une chaine de condensats après un décalage spatial quasi- instantané du réseau. Cette méthode présente l'avantage d'être très robuste vis-à-vis des interactions, du potentiel de confinement extérieur ainsi que des anharmonicités du potentiel périodique. L'étude du micro-mouvement des atomes a aussi permis de mettre en évidence la présence d'un effet tunnel qui se manifeste au cours de la micro-oscillation. La signature de cet effet tunnel dans l'espace des impulsions après temps de vol nous donne la possibilité de faire une mesure directe du temps de traversée tunnel et d'en étudier les propriétés. La dernière partie du manuscrit est consacrée à l'étude préliminaire du comportement d'un condensat de Bose Einstein dans un réseau renormalisé par modulation de phase. Suivant le régime de modulation, nous pouvons renormaliser la profondeur ou le taux tunnel entre chaque puits du réseau. Dans ce dernier cas, nous voyons émerger un nouvel état d'équilibre appelé staggered state. La dynamique de formation de cet état est complexe car le chauffage dû à la modulation doit être pris en compte. Nous présenterons donc les résultats préliminaires de cette étude.

This thesis presents the studies carried out in the Cold Atoms team of the laboratoire CAR at Universit´e Toulouse III Paul Sabatier. My work is part of the team's axis of research on modulated lattices and impact of classical chaos on the quantum behaviour of a particule. The aim of this work was to develop all the tools required for this project. First, the whole experimental device has been built and produces Bose Einstein Condensate since may 2015. we describe this new setup and cooling techniques that we implemented. The rest of the manuscript is devoted to studying the behaviour of a Bose Einstein condensate in an optical lattice created by the interference of two counter propagative laser beams. The potential thus created can be dynamically controlled via the optical power and the relative phase of the two beams. My work is mainly focused on the controle of the relative phase. In particular, we developed a new calibration method based on the analysis of the micro-oscillation of a network of condensate just after a quasi-instantaneous shift of the lattice. This method proves to be robust against interactions, external potential and non-harmonicities of the periodic potential. The study of the micro-mouvement highlighted the persence of tunnel effet which occurs during the oscillation. The signature of the tunnel effect in momentum space enables us to perform a direct measurement of the tunneling traversal time. The last part of the manuscript is dedicated to the preliminary study of the behavior of a Bose Einstein condensate in a lattice renormalized by phase modulation. Depending on the modulation frequency, we can normalize either the depth or the tunneling rate between each wells of the lattice. In the latter case, a new state of equilibrium called staggered state emerges. The dynamic of the formation of this state is complex because one should take the heating due to modulation into account. We present the preliminary results of this study.