Instabilités transverses et auto-organisation dans un nuage d'atomes froids. Gap labelling dans les quasi-cristaux bidimensionnels

par Abdoulaye Camara

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Guillaume Labeyrie et de Patrizia Vignolo.

Soutenue le 17-11-2015

à Nice , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , en partenariat avec Institut non linéaire de Nice (laboratoire) et de Institut Non Linéaire de Nice Sophia-Antipolis (laboratoire) .

Le président du jury était Ulrich Kuhl.

Le jury était composé de Guillaume Labeyrie, Patrizia Vignolo, Ulrich Kuhl, Agnès Maître, Luca Guidoni, Vincent Josse.

Les rapporteurs étaient Agnès Maître, Luca Guidoni.

mots clés

• Interaction atome-photon
• Refroidissement laser
• Atomes froids
• Instabilités optiques
• Micro-onde
• Quasi-cristal
• Gap labelling
• Interactions photon-atome
• Refroidissement laser
• Atomes froids
• Micro-ondes
• Quasicristaux

Résumé

Dans ce mémoire de thèse, je rapporte les résultats des études réalisées durant ces trois dernières années à l'Institut Non Linéaire de Nice. D'une part, je présente nos expériences de miroir de rétro-action conduisant à la formation spontanée de patterns dans la section transversale d'un faisceau laser (pompe) traversant le centre d'un nuage d'atomes froids de 87Rb et rétro-réfléchi par un miroir placé à une distance du nuage. Dans ces expériences nous discernons trois types de mécanismes de nonlinéarités : la nonlinéarité de spin qui est liée au pompage Zeeman, la nonlinéarité électronique existant pour un atome à deux niveaux et la nonlinéarité opto-mécanique qui est liée à la force dipolaire. Ces mécanismes dépendant des paramètres du MOT et de la pompe (intensité, désaccord, durée) sont étudiés séparément en jouant sur ces paramètres. Ces études expérimentales sont comparées avec des résultats obtenus avec des modèles théoriques. D'autre part, je présente nos observation concernant la densité d'état intégrée et les la densité d'états locale des bandes d'un quasi-cristal bidimensionnel. Dans cette expérience réalisée au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, nous avons réalisé des quasi-cristaux en disposant des résonateurs diélectriques agissant dans le domaine micro-onde sur des pavages de Penrose 2D. Un modèle numérique prenant en compte les paramètres expérimentaux est utilisé pour comparer les résultats obtenus.

mots clés

• Atom-photon interaction
• Laser cooling
• Cold atoms
• Optical instabilities
• Microwave
• Quasicrystal
• Gap labelling

Titre traduit

Transverse instabilities and self-organization in a cloud of cold atoms. Gap labelling in the two-dimensional quasicrystals

Résumé

First, I present our feedback experiment leading to the spontaneous formation of patterns in the cross section of a laser beam passing through a cloud of cold 87Rb atoms and retroreflected by a mirror. In these experiments we were able to identify three mechanisms of nonlinearity: the spin nonlinearity associated with the Zeeman degrees of freedom, the electronic nonlinearity due to the saturation of a two-level atom and the optomechanical nonlinearity due to the spatial bunching of atoms by the dipole force. The instabilities corresponding to each nonlinear mechanism occurs in different range of the experimental parameters and can be selected and studied independently. The experimental observations are compared with various theoretical models. In the second part of the thesis, I present our study of the integrated density of states (IDOS) and the local density of states (LDOS) of the bands of a two-dimensional quasicrystal. In an experiment conducted at Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC), we realized quasicrystals by disposing dielectric resonators operating in the microwave regime on 2D Penrose tiling. A numerical model including experimental parameters is used to compare to the experimental findings.