Effets hydrodynamiques dans un fluide paraxial de lumière

Hydrodynamic effects in a paraxial fluid of light

• Auteur / Autrice : Wei Liu
• Direction : Quentin Glorieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/10/2022
• 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 : Pierre-Élie Larré, Anna Minguzzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Pruvost, Zhongzhong Qin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie -- Instruments

Turbulence

Kerr, Effet

Liquides quantiques

Mots clés libres

Fluide de lumière

Milieu Kerr

Spectroscopie de type Bragg

Turbulence quantique

Tourbillons quantiques

Désactivation de l'interaction

Fluid of light

Kerr medium

Bragg-Like spectroscopy

Quantum turbulence

Quantum vortices

Nteraction quench

Résumé

Le fluide quantique de la lumière désigne un gaz de photons en interaction faible qui est formé par un faisceau laser paraxial se propageant dans un milieu de Kerr non linéaire en remplaçant la coordonnée temporelle dans le fluide classique par la direction de propagation du faisceau. Il peut être considéré comme un fluide dont la densité est liée à l’intensité du champ, s’écoulant au gradient de la phase comme vitesse dans le plan perpendiculaire à la propagation le long de la coordonnée z de l’axe optique. Dans ce travail, des vapeurs chaudes de Rb comme milieu non linéaire ont été utilisées pour créer un tel fluide photonique. Trois expériences différentes ont été menées afin de déterminer le comportement hydrodynamique du fluide photonique. Tout d’abord, la spectroscopie de Bragg dans un fluide paraxial de lumière en imprimant des analogues de courtes impulsions de Bragg sur le fluide de photons a été mise en œuvre pour explorer le facteur de structure statique et la relation de dispersion de Bogoliubov. Ensuite, la réponse du fluide aux quenches quantiques changement soudain d’interaction, a été réalisée pour étudier la création d’une particule cosmologique analogue. Enfin, la turbulence quantique a été étudiée dans deux fluides de lumière à contre-courant, signalant une signature claire d’un flux d’énergie cinétique des petites aux grandes échelles de longueur dans un fluide quantique via l’observation d’une loi d’échelle de Kolmogorov dans le spectre d’énergie cinétique incompressible. Tous ces éléments démontrent que le fluide photonique est une plateforme idéale pour explorer la dynamique hors équilibre.

Quantum fluid of light refers to a weakly interacting gas of photons which is formed by a laser beam paraxial propagating through a non-linear Kerr medium by replacing the time coordinate in classical fluid to the beam’s propagation direction. It can be considered as a fluid with density related to the field intensity, flowing at he gradient of the phase as velocity in the plane perpendicular to the propagation along optical-axis coordinate z. In this work, warm Rb vapors as nonlinear medium were used to create such a photon fluid. Three different experiments are carried to feature the hydrodynamics behaviour of photon fluid. First of all, Bragg-like spectroscopy in a paraxial fluid of light by imprinting analogues of short Bragg pulses on the photon fluid was implemented to explore the static structure factor and Bogoliubov dispersion relation. Second, the fluid’s response to quantum quenches, sudden interaction change, was carried out to study the creation of analogue cosmological particle. Finally, quantum turbulence was studied in two counter-streaming fluids of light, report a clear signature of a flux of kinetic energy from small to large length scales in a quantum fluid via the observation of a Kolmogorov scaling law in the incompressible kinetic energy spectrum. All of these demonstrate that photon fluid is a ideal platform to explore the out of equilibrium dynamics.