Fluide de lumière en géomètrie propageante dans une vapeur atomique chaude

Paraxial fluid of light in hot atomic vapors

• Auteur / Autrice : Quentin Fontaine
• Direction : Quentin Glorieux, Alberto Bramati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique
• Date : Soutenance le 31/01/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Michel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Iacopo Carusotto, Luis Orozco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rubidium

Polaritons

Superfluidité

Optique non linéaire

Mots clés libres

Optique nonlinéaire

Vapeur de rubidium

Fluide de lumière

Dispersion de Bogoliubov

Superfluidité

Fluid of light

Hot rubidium vapor

Superfluidity

Résumé

Les fluides quantiques de lumière constituent l'analogue optique des condensats de Bose-Einstein atomiques. Ils suscitent une attention croissante puisqu'ils permettent de sonder facilement des phénomènes quantiques à N-corps, à l'instar de la superfluidité. Des écoulements superfluides de lumière ont déjà été mis en évidence dans des fluides de polaritons en micro-cavité mais les observations rapportées jusqu'à présent dans les fluides de lumière en géométrie propageante sont moins probantes. Dans cette thèse, nous étudions les propriétés hydrodynamiques de la lumière propageant à quasi-résonance dans une vapeur chaude de rubidium. Alors que les photons n’interagissent pas entre eux dans l'air, la situation est différente dans la vapeur de rubidium, puisqu'une interaction effective entre photons, médiée par le milieu atomique, apparaît. La lumière peut alors être décrite comme un fluide s'écoulant dans le plan perpendiculaire à l'axe optique. L'objectif premier de cette thèse était de démontrer que la lumière, en propageant dans ce système, peut se comporter comme un superfluide. Dans cette perspective, il est nécessaire de mesurer la relation de dispersion à laquelle obéissent les ondes de densité se déplaçant à la surface du fluide. Je montre que cette dispersion dépend linéairement du module du vecteur d'onde quand celui-ci est petit devant la longueur de cicatrisation. D'après le critère de Landau, ceci est suffisant pour garantir l'existence d'écoulements superfluides. Je présente ensuite une expérience visant à mesurer l'annulation de la force de trainée exercée par le fluide de lumière sur un obstacle optique au passage de la transition fluide/superfluide.

Quantum fluids of light are the photonic counterpart of Bose gases. They currently attract increasing interest since they are versatile and highly tunable systems for probing many-body physics quantum phenomena, such as superfluidity. Superfluid flow of light has already been reported in microcavity exciton-polariton condensates but clear observation of this phenomenon in cavityless systems, that is, for propagating photon fluids, remains elusive. In this thesis, we study the hydrodynamical properties of light propagating close to resonance in hot rubidium vapors. Whereas photons in air are not interacting with each other, the situation is different in rubidium vapors, as an effective interaction between them, mediated by the atomic ensemble, appears. The light behaves therefore as a fluid flowing in the plane perpendicular to the optical axis. The primary purpose of this thesis was to show that light in those systems can behave as a superfluid. The first step toward the observation of superfluidity is to measure the dispersion relation of small amplitude density waves travelling onto the propagating photon fluid. I show that this dispersion exhibits a linear trend for small excitation wave-vectors, which is, according to the Landau criterion, a sufficient condition for guaranteeing superfluidity. I present then an all-optical defect experiment - where the photon fluid flows against an optically induced obstacle (namely, a local change of refractive index) - designed to measure the drag force cancellation at the fluid/superfluid threshold.