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Thèse Année : 2020

Theoretical study of quantum correlations and nonlinear fluctuations in quantum gases

Étude théorique des corrélations quantiques et des fluctuations non-linéaires dans les gaz quantiques

Résumé

This thesis is dedicated to the study of nonlinear-driven phenomena in two quantum gases which bear important similarities: Bose-Einstein condensates of ultracold atomic vapors and “fluids of light”. In a first part, we study sonic analogues of black holes. In a Bose-Einstein condensate, it is possible to implement a stationary configuration with a current flowing from a subsonic region to a supersonic one. This mimics a black hole, since sonic excitations cannot escape the supersonic region. Besides, quantizing the phonon field leads to a sonic analogue of Hawking radiation. In this thesis, we show that a correct account of “zero modes” – overlooked so far in the context of analogue gravity – is essential for an accurate description of the Hawking process, and results in a excellent comparison with recent experimental data. In addition, we characterize the entanglement shared among quantum excitations and show that they exhibit tripartite entanglement. In a second part, we investigate the short and long time propagation of nonlinear fluids within a hydrodynamic framework and by means of mathematical methods developed by Riemann and Whitham. In particular, we study the oscillating structure and the dynamics of dispersive shock waves which arise after a wave breaking event. We obtain a weak shock theory, from which we can extract a quantitative description of experimentally relevant parameters, such as the wave breaking time, the velocity of the solitonic edge of the shock or the contrast of its fringes.
Cette thèse est dédiée à l’étude des phénomènes non-linéaires dans deux fluides quantiques qui partagent de nombreuses similitudes : les condensats de Bose-Einstein et les “fluides de lumière”. Dans une première partie, nous étudions les analogues soniques des trous noirs. Il est possible de créer une configuration stationnaire d’un condensat de Bose-Einstein en écoulement d’une région subsonique vers une région supersonique. Ce fluide transsonique joue alors le rôle d’un trou noir puisque les ondes sonores ne peuvent s’échapper de la région supersonique. En outre, en quantifiant le champ sonore, il est possible de montrer qu’un rayonnement de Hawking analogue émerge des fluctuations quantiques du vide. Dans cette thèse, nous montrons que la prise en compte des “modes zéros” – omis jusqu’alors dans le contexte de la gravité analogue – est essentielle pour obtenir une description précise du processus de Hawking, menant alors à un excellent accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, nous étudions l’intrication entre les différentes excitations quantiques et montrons que notre système crée de l’intrication tripartite. Dans un second temps, nous étudions la propagation des fluides non-linéaires grâce à une approche hydrodynamique et à des méthodes mathématiques développées par Riemann et Whitham. Nous étudions la structure oscillante et la dynamique des ondes de chocs dispersives qui se forment à la suite d’un déferlement. Notre approche permet de trouver des expressions analytiques simples qui décrivent les propriétés asymptotiques du choc. Cela donne accès à des paramètres d’intérêt expérimental, comme le temps de déferlement, la vitesse de l’onde de choc ou encore le contraste de ses franges.
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Dates et versions

tel-02974737 , version 1 (22-10-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02974737 , version 1

Citer

Mathieu Isoard. Theoretical study of quantum correlations and nonlinear fluctuations in quantum gases. Pattern Formation and Solitons [nlin.PS]. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASP004⟩. ⟨tel-02974737⟩
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