Dynamique hors équilibre et propriétés de transport des gaz bosoniques 1D

par Maximilian Schemmer

Projet de thèse en Physique quantique

Sous la direction de Isabelle Bouchoule.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) et de Institut d'optique théorique et appliquée (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Les expériences d'atomes froids sont des systèmes très bien contrôlés, qui se prêtent très bien à l'étude des gaz quantiques en interaction. L'expérience de puce atomique au Laboratoire Charles Fabry (LCF) est spécialisée dans l'étude des gaz de Bosons unidimensionnels. La physique de ces systèmes diffère de celle des systèmes tri-dimensionnels et, par exemple, la condensation de Bose-Einstein y est absente. Les interactions et les fluctuations ont un rôle accrus dans un régime d'interaction forte, appelé régime de fermionisation, peut être obtenu. Un état fortement corrélé peut aussi être obtenu dans des systèmes à trois dimensions, en présence d'un potentiel périodique : une transition de phase quantique, appelée la transition de Mott, se produit entre un état délocalisé et un état localisé. A une dimension, les corrélations intrinsèquement importantes dans le système affectent profondément la physique de cette transition et beaucoup d'aspects de cette transition à une dimension n'ont pas encore été étudiés. En particulier, alors que la transition de Mott se traduit par une modification du comportement de la fonction de corrélation à une corps, transformée de Fourier de la distribution d'impulsion, il n'existe pas d'étude précise de cette quantité à une dimension. Finalement, notons que les effets de température finie sont largement inexplorés, tant sur le plan expérimental que théorique. Des gaz de Bose unidimensionnels sont réalisés dans des expériences d'atomes froids quand le degré de liberté transverse est gelé. Des géométries allongées sont facilement réalisables sur des dispositif de puce atomiques et l'expérience de puce du LCF a une grande expertise sur la réalisation et l'étude des gaz de Bose unidimensionnels. Plusieurs diagnostiques ont été mis au point sur l'expérience comprenant l'étude de la densité atomique à la fois dans l'espace réel et dans l'espace des impulsions, et de leur fluctuations. La combinaison de ces diagnostiques est une spécificité de notre expérience La thèse vise à étudier la transition de Mott dans les gaz de Bose unidimensionnels. Nous étudierons en particulier la fonction de corrélation à un corps. Pour s'affranchir du problème apporté par l'inhomogénéité du nuage en présence d'un potentiel longitudinal, nous allons développer une méthode de sélection optique d'une zone du nuage avant la mesure de la distribution d'impulsion. La compressibilité sera aussi étudiée via des mesures de fluctuations de densité dans l'espace réel. Finalement, nous étudierons aussi la physique hors d'équilibre dans ces systèmes.

  • Titre traduit

    Out-of-equilibrium dynamics and transport properties in 1D Bose gases


  • Résumé

    Quantum correlated matter presents an exponential complexity, which renders theoretical predictions and numerical simulations on a classical computers very difficult. Ultracold atom experiments permit to investigate such many-body quantum problems thanks to the high degree of control of their parameters, and their very good decoupling from environment. Beyond its fundamental interest, such studies will help understanding materials properties and might help designing future components. Among the most difficult problems is the description of out-of-equilibrium dynamics, a blooming field where experimental results are highly desirable. Indeed, while powerful theoretical methods exist to compute equilibrium properties of bosonic gases, exact predictions for the out-of-equilibrium dynamics are very rare. Increasing our understanding in this domain is crucial since out-of-equilibrium dynamic is ubiquitous in nature and, for instance, is an essential component of transport properties. The PhD will use an ultracold atom experiment based on an atomchip setup and it will investigate out-of-equilibrium dynamics of one-dimensional Bose gases in presence of a periodic potential. One-dimensional (1D) systems are of particular interest because strong correlations naturally arise in those systems. Moreover, numerous and powerful theoretical approaches are available for 1D systems, and experimental results at equilibrium can be compared to exact results, to confirm the experiment indeed realizes the desired model. While homogeneous 1D gases do not experience phase transitions, a periodic potential whose wavelength is close to the mean interparticle distance introduces a quantum phase transition towards the so-called Mott insulator phase. During this thesis, we will investigate the out-of-equilibrium dynamics close to the Mott quantum phase transition. On the one hand, we will rely on the techniques that have been developed on the experiment, that comprise the measurement of profiles and fluctuations both in real space and momentum space. On the other hand new experimental techniques will be implemented, such as the installation of a spatial light modulator.