La dynamique hors équilibre dans un fluide de lumière paraxial

Out of equilibrium dynamics in a paraxial fluid of light

• Auteur / Autrice : Murad Abuzarli
• Direction : Quentin Glorieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique quantique
• Date : Soutenance le 21/04/2022
• 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 : Catherine Schwob
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Bellec, Hugo Defienne, Romain Dubessy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurence Pruvost, Arnaud Mussot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rubidium

Kerr, Effet

Liquides quantiques

Ondes de choc

Optique quantique

Mots clés libres

Optique quantique

Vapeur atomique de rubidium

Pre-thermalisation

Milieu Kerr

Ondes de choc

Trempe d'interactions

Fluide quantique de lumière

Pics acoustiques

Quantum optics

Hot rubidium vapor

Pre-thermalization

Kerr medium

Shock waves

Interaction quench

Quantum fluid of lights

Acoustic peaks

Résumé

Les fluides quantiques produits avec des condensats de Bose-Einstein des gaz d'atomes ultra-froids sont utilisés pour l’exploration de l'évolution hors équilibre des systèmes quantiques à plusieurs corps. D'un autre coté, la propagation paraxiale de la lumière dans un milieu non-linéaire Kerr confère des interactions et une masse effective aux photons, et transforme la lumière en un fluide analogue dont la coordonnée temporelle est la direction de propagation du faisceau. Dans ce travail un tel fluide de lumière est produit dans les vapeurs atomiques de Rubidium. Trois aspects de sa dynamique hors équilibre ont été mis en évidence. D'abord, la perturbation du fluide avec une forte surdensité a permis d'observer son comportement hydrodynamique non-linéaire avec les ondes de choc. Ensuite, en perturbant un état initial Gaussien avec des faibles fluctuations, la pré-thermalisation du fluide a été observée à l'aide de sa cohérence spatiale. Enfin, la réponse du fluide à des trempes d’interactions photoniques survenant à des interfaces de la cellule de vapeur atomique, a été sondée avec ses fluctuations intrinsèques venant du bruit de grenaille du faisceau laser. La mesure du spectre de bruit de densité du fluide a révélé la suppression des fluctuations de densité à faibles impulsions et l’émergence des pics acoustiques à des temps ultérieurs.

Quantum fluids produced with Bose-Einstein Condensates of ultracold atoms are commonly used for exploring the out-of-equilibrium evolution of many-body quantum systems. On the other hand, paraxial propagation of light in a non-linear Kerr medium confers to photons interactions and an effective mass, and transforms the light into an analogue fluid, whose time coordinate is the beam's propagation direction. In this work, hot Rb vapors were used to produce such a fluid of light. Three different aspects of its out-of-equilibrium dynamics were evidenced. First, disturbing the fluid with a strong density perturbation led to the observation of its non-linear hydrodynamics in form of blast waves. Second, disturbing a Gaussian initial state with small random fluctuations the fluid's pre-thermalization was observed with its spatial coherence. Finally, the fluid's response to interaction quenches, occurring at the vapor cell's interfaces, was probed with its intrinsic fluctuations stemming from the shot noise of the laser beam. The measurement of the fluid's spatial density power spectrum revealed the suppression of density fluctuations at low momenta and emergence of the acoustic peaks at later times.