Fluides quantiques de lumière avec des vapeurs atomiques chaudes

Quantum fluids of light with hot atomic vapours

• Auteur / Autrice : Pierre Azam
• Direction : Robin Kaiser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Jérémie Bec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robin Kaiser, Jérémie Bec, Isabelle Bouchoule, Nicolas Pavloff, Alberto Amo Garcia, Jacqueline Bloch, Claire Michel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Bouchoule, Nicolas Pavloff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lumière -- Propagation

Liquides quantiques

Ondes de choc

Rubidium

Mots clés libres

Vapeur atomique chaude

Ondes de choc dispersives (DSW)

Interactions de vortex

Fluide quantique de lumière

Non-linéarité

Hot atomic vapours

Dispersives shockwaves (DSW)

Vortex interactions

Quantum fluids of light

Non-linearity

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la propagation d'un faisceau laser au travers d'une vapeur chaude de rubidium. En raison de la non-linéarité du milieu de type Kerr la lumière va, au cours de son évolution dans la vapeur, présenter un comportement qui peut être décrit par l'équation non-linéaire de Schrödinger (ou l'équation de Gross-Pitaevskii) dont une équivalence avec des équations hydrodynamiques dans le plan transverse de propagation est possible. Nous pouvons ainsi observer divers comportements de la lumière identiques à ce que l'on voit dans le cas des ondes de matière tels que pour des liquides ou des gaz : on parle alors de fluide quantique de lumière.Pour étudier de tels phénomènes, une calibration de la non-linéarité de notre milieu est nécessaire. Les propriétés non-linéaires des vapeurs atomiques chaudes étant dépendantes de divers paramètres accessibles expérimentalement tels que la densité atomique, l'intensité laser ou le désaccord, elles permettent une vraie flexibilité. À la suite de ces calibrations, l'étude d'ondes de choc dispersives 2D est entamée. Appuyé par une étude numérique, nous mettons en évidence la présence de phénomènes supplémentaires tels que la non-localité, l'absorption ou encore la saturation de la non-linéarité, effets initialement absents du modèle théorique. Une étude quantitative est alors menée sur ces différents phénomènes montrant des valeurs étonnamment importantes de non-localité (jusqu'à 100 µm) ainsi qu'un impact contre-intuitivement positif de la dissipation sur notre système.Enfin, dans un second projet, l'étude du comportement de vortex est menée depuis leur création via la décomposition d'un soliton sombre jusqu'à leurs interactions et annihilations.Grâce à un système d'imagerie adapté, nous sommes capables d'observer in situ et en temps réel le front d'onde (intensité et phase du faisceau) enfin de propagation nous donnant accès à des informations telles que la densité et la vitesse de notre fluide de lumière. Un travail est aussi effectué sur les conditions initiales nous permettant d'accélérer le processus de création des vortex via l'ajout d'une vitesse initiale au fluide et même d'engendrer des collisions en orientant spécifiquement ces vitesses. Une autre méthode mise au point (scan de la phase relative) nous offre quant à elle la possibilité de travailler dans de biens meilleures conditions de stabilité, nous permettant de considérer nos photons dans un régime hydrodynamique avec une meilleure approximation.

In this thesis, we are interested in the propagation of a laser beam through a rubidium hot atomic vapour. Due to the Kerr-like non-linearity of the medium, the light will present, during its evolution in the vapour, a behaviour that can be described by the non-linear Schrödinger equation (or Gross-Pitaevskii equation) which is equivalent to hydrodynamical equations in the transverse plane of propagation. We can then observe various light behaviours identical to the ones we see in the case of matter waves such as for liquids or gas: we talk about quantum fluid of light.To study such phenomena, calibration of our medium non-linearity is necessary. Non-linear properties of hot atomic vapours being on various parameters experimentally accessible such as atomic density, laser intensity or detuning, it allows us true flexibility. Following these calibrations, the study of 2D dispersive shockwaves starts. Helped by a numerical study, we show the existence of additional phenomena such as non-locality, absorption or saturation of the non-linearity, missing effects in the initial theoretical model. A quantitative study is then carried out on these different phenomena showing surprisingly high values of non-locality (until 100 µm) and, counter-intuitively, the positive impact of the dissipation on our system.Finally, in a second project, the study of vortex behavior is done from their creation via dark soliton decay to their interactions and annihilations. An adapted imaging system allows us to make an in situ and real-time observation of the wave front (intensity and phase) at the end of the propagation, giving us access to information such as the density and velocity of our fluid of light. Work is also done on initial conditions allowing us to accelerate the decay process for vortex creation by adding initial velocity to the fluid and even cause collisions by choosing specific orientations of these velocities. Another method we developed (relative phase scan) offers us the possibility to work in much better stability conditions, allowing us to consider our photons in a hydrodynamic regime with a better approximation.