Transport stationnaire dans des fluides quantiques de basse dimensionnalité

Stationary transport in low-dimensional quatum fluids

• Auteur / Autrice : Juliette Huynh
• Direction : Frédéric Hébert, Pierre-Élie Larré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/11/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Patrizia Vignolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Hébert, Pierre-Élie Larré, Patrizia Vignolo, Peter Schlagheck, Aleksandra Petković, Christophe Josserand, Romain Dubessy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Peter Schlagheck, Aleksandra Petković

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport quantique

Superfluidité

Liquides quantiques

Mots clés libres

Superfluidité

Fluides quantiques

Transport quantique

Vortex

Superfluidity

Quantum fluids

Quantum transport

Vortex

Résumé

Les fluides quantiques, tels que les condensats de Bose-Einstein ou les superfluides de lumière - deux systèmes d'intérêt dans ce manuscrit - offrent des plateformes fascinantes pour explorer des phénomènes physiques fondamentaux sous des conditions extrêmes. L'un des aspects cruciaux de ces systèmes est leur comportement face à des perturbations, pouvant entraîner des transitions entre différents régimes de transport pour des vitesses critiques bien définies. L'objet de notre étude est donc d'examiner un fluide quantique s'écoulant à une vitesse donnée et rencontrant un obstacle aux paramètres arbitraires. Nous avons développé des modèles intégrant le potentiel non-linéaire d'interaction, permettant de traiter divers systèmes tels que les atomes froids ou les fluides de lumière, et d'aller au-delà des résultats bien connus dans la communauté. Nous avons commencé par explorer les systèmes unidimensionnels, cherchant à établir une carte complète des régimes de transport stationnaires possibles. Notre attention s'est d'abord portée sur le régime superfluide, avec une étude analytique et numérique approfondie de la vitesse critique de superfluidité, montrant une dépendance non-triviale des paramètres du problème. Ce travail a ensuite été étendu aux superfluides de lumière en incluant un traitement systématique des pertes, montrant qu'elles ne modifient pas fondamentalement nos résultats tant qu'elles restent linéaires et homogènes. S'ensuit l'étude d'un autre régime de transport stationnaire à une dimension, à des vitesses supersoniques. Grâce à des méthodes similaires, nous avons mis en lumière une autre vitesse critique, la séparatrice supersonique, et l'avons étudiée analytiquement et numériquement en fonction des paramètres du problème. Cette étude a révélé l'existence d'états ayant une dynamique similaire à celle du régime superfluide, mais à des vitesses supersoniques. Enfin, nous avons exploré la superfluidité dans des systèmes bidimensionnels. Afin d'aller au-delà des résultats préexistants, nous avons développé un modèle tenant compte de la compressibilité du fluide, la non-linéarité du système, et la pénétrabilité de l'obstacle. L'analyse conjointe de notre modèle et des simulations a mis en évidence deux mécanismes distincts pour briser la superfluidité, dépendant de l'amplitude de l'obstacle. Nous avons ensuite réalisé diverses simulations numériques afin d'avoir une vision plus concrète de ces phénomènes, et avons entamé une étude préliminaire sur l'éjection des vortex dans le fluide quantique. En accord qualitatif avec des résultats expérimentaux récents obtenus pour d'autres types d'obstacles, notre modèle simplifié constitue un pas en avant dans l'étude de la superfluidité, avec des implications potentielles pour d'autres plateformes expérimentales, au-delà des atomes froids.

Quantum fluids, such as Bose-Einstein condensates and superfluids of light -- two systems of interest in this manuscript -- offer fascinating platforms for exploring fundamental physical phenomena under extreme conditions. A crucial aspect of these systems is their behavior when encountering perturbations, which can lead to transitions between different transport regimes at well-defined critical velocities. The objective of our study is to examine a quantum fluid flowing at a given velocity past an obstacle with arbitrary parameters. We developed models that incorporate various nonlinear interaction potential, enabling us to address various systems such as cold atoms and quantum fluids of light, and to extend beyond the well-established results in the field. We began by exploring one-dimensional systems, aiming to establish a comprehensive map of the possible stationary transport regimes. Our initial focus was on the superfluid regime, for which we conducted an in-depth analytical and numerical study of the critical velocity for superfluidity, revealing a nontrivial dependence on the system's parameters. This work was then extended to superfluids of light, with a systematic treatment of losses, showing that they do not fundamentally alter our previous results as long as they remain linear and homogeneous. This was followed by the study of another stationary transport regime in one dimension, specifically at supersonic velocities. Using similar methods, we highlighted another critical velocity, the supersonic separatrix, and studied it analytically and numerically as well. This study revealed the existence of states with dynamics similar to those of the superfluid regime, but at supersonic velocities. Finally, we explored superfluidity in two-dimensional systems. To go beyond previous results, we developed a model that accounts for the compressibility of the fluid, the nonlinearity of the system, and the penetrability of the obstacle. The combined analysis of our model and simulations revealed two distinct mechanisms for the breakdown of superfluidity, depending on the amplitude of the obstacle. We then conducted several numerical simulations to gain a more concrete understanding of these phenomena, and initiated a preliminary study on vortex ejection in the quantum fluid. In qualitative agreement with recent experimental results obtained for other types of obstacles, our simplified model marks a step forward in the study of superfluidity, with potential implications for other experimental platforms beyond cold atoms.