Dynamique hors d'équilibre d'un gaz de Bosons unidimensionnel étudiée via la mesure spatialement résolue de la distribution des quasiparticules

Out of equilibrium dynamics of a one-dimensional Bose gas studied using a spatially resolved measurement of the rapidity distribution

• Auteur / Autrice : Léa Dubois
• Direction : Isabelle Bouchoule
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry - Laboratoire Charles Fabry / Gaz Quantiques
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'Optique
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Pavloff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Dubessy, Frédéric Chevy, Juliette Billy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Romain Dubessy, Frédéric Chevy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtechniques

Gaz, Dynamique des

Systèmes intégrables

Atomes froids

Théorie quantique

Mots clés libres

Gaz quantique 1D

Dynamique hors-Équilibre

Puce atomique

1D quantum gas

Out of equilibrium dynamics

Atom Chip

Résumé

Cette thèse présente des études théoriques et expérimentales sur la caractérisation de gaz de bosons unidimensionnels (1D). Pour produire de tels systèmes, un gaz de Rubidium est placé dans un piège magnétique très confinant transversalement, produit par une puce atomique.Contrairement aux systèmes thermodynamiques atteignant un équilibre caractérisé par quelques variables d'état (pression, température), ce système relaxe dans un état plus complexe décrit par une fonction appelée distribution de rapidités. Cette grandeur est accessible expérimentalement : la distribution de rapidités est la distribution asymptotique des vitesses des atomes après une expansion de ces derniers dans le guide 1D. Cette fonction peut aussi être extraite en étudiant la dynamique de l'expansion unidimensionnelle grâce à l'hydrodynamique généralisée, une théorie émergente suscitant beaucoup d'attentions, spécialement développée pour l'étude de ces systèmes.Une première étude détaillée dans ce manuscrit a été de caractériser les expansions longitudinales unidimensionnelles des gaz de bosons 1D. L'évolution des profils de densité ainsi que des fluctuations de phase ont été analysées et sont en accord avec les prédictions théoriques.Un deuxième projet a été la mise en place d'un outil de sélection spatial permettant à la fois de produire des situations hors équilibre ainsi qu'à sonder localement la distribution de rapidités. Ces mesures ont été réalisées sur des gaz à l'équilibre et hors-équilibre. Les mesures sont notamment cohérentes avec les prédictions de la théorie hydrodynamique généralisée.

This manuscript describes theoretical and experimental studies on characterizing one dimensionnal (1D) bose gas. To produce such a system, a Rubidium gas est trapped in a very transversally confining magnetic potential produced by an atom chip. Contrary to thermodynamic systems reaching an equilibrium described by several macroscopic parameters (pressure, temperature), this system relaxes towards a more complex state described by a function called the rapidity distribution. This function can be accessed experimentally : the rapidity distribution corresponds to the asymptotic atomic velocity distribution after a 1D expansion of the atoms. This quantity can also be extracted by studying the 1D expansion with the Generalized Hydrodynamic, an emerging theory with a lot of interest recently, specially conceived for studying these systems.A first study detailed in this manuscript consisted in characterizing 1D expansion of the gas. The evolution of the density profile and the evolution of phase fluctuations were analyzed and found to be compatible with theoretical predictions. A second project involved adding a spatial selection tool to produce non-equilibrium situations and to locally probe the rapidity distribution of the system. These measurements were performed on initial equilibrium and out of equilibrium situations. They are well understood with the predictions of Generalized Hydrodynamics.