Contrôle tout optique d'un fluide quantique de lumière en vapeur atomique chaude

Full optical control of quantum fluids of light in hot atomic vapors

• Auteur / Autrice : Tangui Aladjidi
• Direction : Quentin Glorieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/10/2023
• 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 : Xavier Leyronas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Clément, John Michael Dudley
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Bouchoule, Mathias Albert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vortex optiques

Photons

Superfluidité

Liquides quantiques

Mots clés libres

Optique

Quantique

Superfluide

Optics

Quantum

Superfluid

Résumé

Les fluides quantiques de lumière présentent une plateforme nouvelle et prometteuse dans l’exploration de la physique des particules quantiques en interaction. Ici, nous étudions des fluides constitués de photons dont les interactions sont induites par une vapeur chaude de Rubidium. Pour décrire ces fluides, nous recourrons à un hamiltonien comprenant énergie cinétique, énergie potentielle et énergie d’interaction. Nous présentons dans cette thèse un contrôle tout optique de ces fluides où nous agissons sur chaque terme de ce hamiltonien. Nous avons mis en évidence la générations de corrélations non-classiques induites par le saut des interactions aux interfaces de notre milieu non-linéaire. Le contrôle de la réponse du milieu atomique est ensuite exploré en présentant un cadre numérique extensible qui permet de décrire des structures atomiques arbitraires, que nous utilisons ensuite pour décrire l’effet du pompage optique mis en œuvre afin de graver optiquement des potentiels dans le fluide de lumière. Nous caractérisons ensuite les propriétés de superfluidité des fluides de lumière et mesurons la vitesse critique autour d’un défaut créé grâce au contrôle du potentiel induit par pompage optique. Nous concluons en étudiant les interactions entre vortex optiques à travers une expérience mettant en lumière un comportement turbulent du fluide, et une expérience de collision de vortex optiques ouvrant la voie à la thermodynamique induite par des effets quantiques au-delà du champ moyen.

Quantum fluids of light are a novel and promising platform in the exploration of many-body quantum physics. We study here fluids whose constituants are photons. Their interactions are induced by a hot vapor of Rubidium atoms. In order to describe these fluids, we use a Hamiltonian comprising of three terms: kinetic energy, potential energy and interaction energy. In this thesis, we showcase an all-optical control of each of these terms. We evidenced non-classical correlations induced by the interaction quenches at the interfaces of our non-linear medium. We then explore the control of the atomic response of the vapor, using an easily extendable numerical framework. We then use this framework to study optical pumping, that allows us to realize arbitrary potentials inside the fluid of light. The critical velocity for superfluidity is then mesured, in a scattering experiment against an optical defect using the potential engineering developped in this thesis. Finally, we study vortex-vortex interactions in an experiment showcasing turbulent behavior in a fluid of light as well as a collision experiment between vortices. This paves the way to thermodynamics processes seeded by interactions effects beyondthe mean field.