Superfluid dynamics of annular Bose gases

par Mathieu De Goër de Herve

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Hélène Perrin.

Soutenue le 23-10-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) , en partenariat avec Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) (laboratoire) et de Université Paris 13 (Etablissement de préparation) .

Le président du jury était Patrizia Vignolo.

Le jury était composé de Vanderlei Salvador Bagnato, Gabriel Dutier.

Les rapporteurs étaient Robert Smith, Chris Westbrook.

  • Titre traduit

    Dynamique superfluide de gaz de Bose annulaires


  • Résumé

    Le caractère irrotationnel des superfluides est à l’origine de propriétés de rotation spectaculaires. Pour que le fluide puisse tourner, sa densité doit s’annuler localement en une singularité appelée tourbillon quantique ou vortex. La géométrie annulaire présente un grand intérêt pour étudier la superfluidité car le gaz peut tourner autour d’un trou central sans présenter de singularité, permettant l’existence de courants permanents à la circulation quantifiée le long de l’anneau. Nous confinons des atomes froids habillés par un champ radiofréquence dans un potentiel adiabatique reposant sur un piège magnétique quadrupolaire. Le potentiel résultant, en forme de bulle, à la fois très lisse et facilement modifiable, nous permet de réaliser deux types de condensats de Bose-Einstein en forme d’anneau. Une première stratégie consiste à utiliser une nappe de lumière très désaccordée pour confiner les atomes à l’intersection entre la bulle et le plan imposé par la lumière – un anneau. Nous présentons la mise en œuvre et l’optimisation de ce piège sur notre expérience et démontrons la possibilité de préparer et observer des courants superfluides dans l’anneau. Une deuxième voie exploite la force centrifuge et l’anharmonicité du potentiel adiabatique pour créer un potentiel effectif en forme de chapeau mexicain en faisant tourner les atomes piégés au fond de la bulle plus vite que la fréquence du piège. Après avoir réalisé un tel système, nous en sondons les modes quadrupolaires pour caractériser sa rotation. L’étude de la distribution des vortex dans le gaz en rotation montre également un effet de fonte thermique des réseaux de vortex à température finie.


  • Résumé

    The irrotational nature of superfluids leads to spectacular rotational properties. For the fluid to rotate, its density must locally vanish at a singular point called a quantum vortex. The annular geometry is of great interest for studying superfluidity as the gas can rotate in this geometry around a central hole without requiring any singularity, allowing the existence of persistent currents along the ring with a quantized circulation. In out experiment, we confine cold atoms dressed by a radiofrequency field in an adiabatic potential based on a quadrupolar magnetic trap. The resulting bubble-shaped potential, both very smooth and easily tunable, allows us to produce two types of ring-shaped Bose-Einstein condensates. A first strategy consists in adding a far-detuned light sheet to confine the atoms at the intersection between the bubble and the horizontal plane imposed by the light field – i.e. a ring. We present the implementation and optimization of this trap and demonstrate the possibility to prepare and observe superfluid currents in the ring. A second path exploits the centrifugal force and the anharmonicity of the adiabatic potential to create an effective Mexican hat potential by rotating the trapped atoms at the bottom of the bubble faster than the trap frequency. After having realized such a system, we probe its quadrupolar modes to characterize the rotation. The study of vortex distribution in the rotating gas also shows a thermal melting effect of the finite temperature vortex lattice.


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