Exploration de dynamique de gaz de Bose à température nulle : mesure de la fraction superfluide et observation d'oscillations de Bloch d'un soliton magnétique

Exploring the dynamics of zero-temperature Bose gases : measurement of the superfluid fraction and observation of Bloch-like oscillations of a magnetic soliton

• Auteur / Autrice : Guillaume Chauveau
• Direction : Jérôme Beugnon, Jean Dalibard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/03/2024
• 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 : Jean-Noël Fuchs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Finot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Bouchoule, Alessio Recati

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solitons

Oscillations

Atomes froids

Superfluidité

Bose-Einstein, Gaz de

Mots clés libres

Soliton

Oscillations de Bloch

Superfluidité

Atomes froids

Physique quantique

Soliton

Bloch oscillations

Superfluidity

Cold atoms

Quantum physics

Résumé

Pour des densités dans l'espace des phases suffisamment grandes, l'état à N corps d'un gaz de Bose dégénéré peut se décrire par une unique fonction d'onde macroscopique qui obéit à une dynamique non linéaire. Les gaz de bosons ultrafroids sont devenus une plateforme de choix pour la mise en évidence de phénomènes non linéaires, permettant l'étude des solitons, des paquets d'onde stationnaires ayant des propriétés de stabilité remarquables. Les interactions entre atomes dans cette plateforme sont souvent faibles et peuvent être traitées dans une approche de champ moyen. Malgré cela, les interactions jouent un rôle prépondérant dans la physique de ces gaz et permettent d'expliquer notamment le mécanisme de formation des solitons, mais aussi l'émergence d'un état superfluide de la matière à basse température. Cette thèse décrit de récentes études de dynamique de gaz de Bose, menées à température nulle. Après avoir introduit la plateforme expérimentale utilisée ainsi qu'une description théorique de ces gaz de Bose, nous discutons le devenir de la propriété de superfluidité en présence d'une modulation spatiale. Ce travail est en lien direct avec les travaux menés par Leggett en 1970 et avec un état spectaculaire de la matière, connu sous le nom de supersolide. Nous explorons ensuite la physique d'un type spécifique de soliton unidimensionnel, qui apparaît dans des mélanges de spin faiblement immiscibles à deux composantes et qui est connu sous le nom de soliton magnétique. Cette désignation provient d'un autre contexte dans lequel ce soliton apparaît: une chaîne ferromagnétique de spins. Les solitons magnétiques répondent de manière spectaculaire à l'application d'une force uniforme: ils oscillent périodiquement dans le temps, de manière similaire au mouvement d'électrons dans le potentiel périodique créé par des solides, connu sous le nom d'oscillations de Bloch. Pour finir, nous discuterons le début de la construction d'une nouvelle plateforme expérimentale, visant dans le futur à étudier des excitations Rydberg, et la réalisation d'un condensat de Bose-Einstein sans utiliser de pièges magnétiques.

At sufficiently high phase space densities, the many-body state of a degenerate Bose gas can be described by a single macroscopic wavefunction that undergoes nonlinear dynamics. Ultracold Bose gases are a prominent platform in the field of nonlinear physics, enabling the study of stable stationary wavepackets, known as solitons. In these platforms, atom interactions are often weak and treated within a mean-field approach. However, interactions play a crucial role in the physics of these Bose gases and explain for example the formation mechanism of solitons or the emergence of a remarkable phase of matter: superfluidity. This thesis describes investigations on peculiar dynamics of ultracold Bose gases, which are approximated by zero-temperature physics. After introducing our experimental setup and its theoretical characterization, we discuss the survival of the superfluid property in spatially modulated systems, in connection with Leggett's seminal work in 1970 and the spectacular supersolid phase of matter. We then explore the physics of a specific type of 1D soliton that emerges in a weakly-immiscible two-component mixture, known as the magnetic soliton. Its name originates from its appearance in 1D ferromagnetic spin chains. Magnetic solitons exhibit a captivating periodic motion under a uniform force field, similar to the Bloch oscillations of electrons in solids. Finally, we introduce a new experimental setup for studying Rydberg excitations and the realization of an all-optical Bose-Einstein-Condensate.