Dynamique hors d’équilibre et thermalisation des gaz de Bose isolés et forcés en basse dimension

Out-of-equilibrium dynamics and thermalization of isolated and driven Bose gases in low dimension

• Auteur / Autrice : Clément Duval
• Direction : Nicolas Cherroret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/09/2023
• 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 : Nicolas Dupuis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Pavloff, Léonie Canet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Bouchoule, Adam Rançon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique hors équilibre

Gaz, Théorie cinétique des

Bose-Einstein, Gaz de

Mots clés libres

Dynamique hors d'équilibre

Thermalisation

Théorie cinétique

Out-of-equilibrium dynamics

Thermalization

Kinetic theory

Résumé

Si les mécanismes régissant les propriétés d'équilibre des gaz quantiques sont aujourd'hui relativement bien compris, leurs équivalents hors équilibre restent largement inconnus. Dans cette thèse, nous explorons théoriquement la physique hors équilibre des gaz de Bose en interaction à basse dimension dans deux situations représentatives. Dans la première, nous considérons un superfluide de Bose isolé en dimension deux suite à un changement brutal de la constante de couplage. En utilisant une description hydrodynamique quantique combinée à un formalisme de champ de Keldysh, nous obtenons des équations cinétiques quantiques pour les excitations phononiques de basse énergie du système. Cette méthode nous permet de décrire l'évolution du système depuis sa dynamique cohérente aux temps courts (régime préthermal) jusqu'à sa thermalisation aux temps longs. En particulier, nous calculons et discutons les taux d'amortissement Landau-Beliaev à la fois dans une approche perturbative standard et dans son extension auto-cohérente. Les résultats sont également discutés au regard d'expériences récentes. Notre deuxième étude porte sur un système quantique unidimensionnel forcé, un gaz de Bose soumis à des interactions périodiques. Dans la limite de kicks infiniment courts, il a été montré récemment que ce système présentait un étalement exponentiellement rapide de la fonction d'onde. En revisitant ce problème pour des kicks de durée arbitraire, nous montrons que, dans ce cas, l'étalement n'est pas exponentiel mais sous-diffusif aux temps longs. Nos résultats indiquent que le passage du comportement exponentiel à sous-diffusif se produit à des temps très courts, même pour des kicks extrêmement brefs, ce qui suggère que la sous-diffusion est le mécanisme générique de transport dans ce type de système.

While the mechanisms governing the equilibrium properties of quantum gases are today relatively well understood, their non-equilibrium counterparts remain largely unknown. In this thesis, we theoretically explore the non-equilibrium physics of low-dimensional, interacting Bose gases in two representative configurations. In the first one, we consider an isolated Bose superfluid in two dimensions following a quench of the coupling constant. Using a quantum hydrodynamic description combined with a Keldysh field formalism, we derive quantum kinetic equations for the low-energy phononic excitations of the system. This enables us to describe the system's evolution from its short-time (prethermal) coherent dynamics to its long-time thermalization. In particular, we derive and discuss the Landau-Beliaev damping rates both in the standard perturbative approach and within a self-consistent extension of the theory. The results are also discussed in the light of recent experiments. Our second study explores a one-dimensional, periodically-driven quantum system, a Bose gas subjected to periodically-kicked interactions. In the limit of infinitely short kicks, this system was previously shown to exhibit a fast exponential spreading of the wave function. By revisiting this problem for kicks of arbitrary duration, we demonstrate that, in this case, the spreading is not exponential but sub-diffusive at long time. Our findings indicate that the breakdown of exponential spreading occurs at very short times even for extremely short kicks, suggesting that sub-diffusion is more the rule than the exception in that system.