Transition de phase hors d'équilibre d'un gaz d'atomes froids en interaction à longue portée : théorie et expérience

Non-equilibrium long-range phase transition in cold atoms : theory and experiment

• Auteur / Autrice : Vincent Mancois
• Direction : Pascal Viot, David Wilkowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Nanyang Technological University (Singapour)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique théorique de la matière condensée (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Gigan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Shau-Yu Lan, Massimo Pica Ciamarra
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Claude Garreau, Eric Bertin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mouvement brownien

Interactions à longue portée

Atomes froids

Mots clés libres

Longue portée

Atomes froids

Hors d'équilibre

Moteur Brownien

Smoluchowski

Langevin

Long-range

Cold atoms

Non-equilibrium

Brownian motor

Smoluchowski

Langevin

Résumé

Nous avons étudié les effets de la force longue portée résultante de l’absorption de faisceaux lasers dans un nuage d’atomes froids à deux dimensions. La force créée est attractive et reproduit la gravité Newtonienne le long du faisceau. Le nuage d’atomes, composé de strontium 88 (bosons), est refroidi et piégé sur la transition d’intercombinaison. En transférant les atomes dans un piège dipolaire à deux dimensions à la longueur d’onde magique, une transition de phase hors d’équilibre se produit dans l’ensemble canonique. En dessous d’une température critique, un système de particules autogravitantes peut collapser, phénomène rappelant le processus de formation des étoiles. Nous avons observé expérimentalement, des régimes de compressions transitoires, un résultat en partie satisfaisant qui pourrait être amélioré avec l’utilisation de pièges dipolaires plus puissants. La seconde partie de la thèse se penche sur la réalisation théorique d’un moteur Brownien à partir d’un système de particules piégées à deux dimensions, une situation similaire à notre expérience de collapse à deux dimensions. L’obtention d’un moteur Brownien est caractérisée par l’apparition d’un courant macroscopique de particules. Nous avons montré que ce transport est indépendant des détails du piège et dépend seulement d’une double brisure de symétrie : Résultant de la présence de deux bains thermiques suivant deux axes orthogonaux et d’un piège anisotrope désaligné des axes thermiques.

We study the long-range force arising from the absorption of non-saturating laser beams in a two-dimensional cloud of cold atoms. The force created by the lasers is at- tractive and similar to the usual Newtonian gravity along the beam. The cloud is composed of bosonic strontium 88 cooled and trapped on the intercombination line. Transferring the atoms in a two-dimensional optical dipole trap in a magical wavelength configuration, a canonical non-equilibrium phase transition is expected. Below a critical temperature, self- gravitating particles in two dimensions can collapse, nearly by the same mechanism stars are forming. We observed experimentally transient compressions, a halfway satisfactory result originating from the power limitation of our dipole trap. The second part of the thesis focuses on the theoretical realization a minimal Brownian motor within a system of trapped particles in 2D, similarly to our experimental situation. The phenomenon char- acterizing the Brownian motor is the appearance of a macroscopic current of particles. We have shown that this direct transport of particles is independent of the details of the trapping potential and obtained if and only if two symmetries are jointly broken: By the presence of two heat baths along orthogonal directions together and an anisotropic trap misaligned from the temperature axes.