Gaz quantiques annulaires dans un piège en forme de bulle : de l'équilibre à la rotation rapide

Annular quantum gases in a bubble-shaped trap : from equilibrium to strong rotations

• Auteur / Autrice : Yanliang Guo
• Direction : Hélène Perrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/01/2021
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gorceix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Chevy, Jean-Philippe Brantut, Laurent Longchambon, Jook Walraven, Donatella Cassettari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Chevy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Condensation de Bose-Einstein

Superfluidité

Mots clés libres

Condensats de Bose-Einstein

Potentiels adiabatiques

Microgravité

Vortex

Bose-Einstein condensates

Adiabatic potentials

Microgravity

Giant vortex

Résumé

Les gaz quantiques dégénérés constituent une plate-forme idéale pour étudier la superfluidité. Un superfluide annulaire a de nombreuses propriétés subtiles dues à sa géométrie topologique. Dans ce manuscrit, nous présentons trois superfluides annulaires, obtenus par trois mécanismes différents. Le point de départ des expériences est un superfluide confiné au fond d’un piège en forme de bulle, produit par l’habillage des atomes dans un piège quadrupolaire avec des photons radiofréquence (rf). Ce piège adiabatique, présentant une excellente régularité, permet de réaliser ces trois superfluides annulaires. Le premier est un anneau en lévitation, formé à la surface du piège bulle par compensation de la gravité. Nous étudions la structure prise par le nuage atomique, liée à l’effet fin de la polarisation rf et au fort couplage rf. Le second est un piège annulaire, formé à l’équateur de la bulle avec une double nappe lumineuse désaccordée vers le bleu. Nous avons placé le gaz annulaire en rotation par deux méthodes, ce produisant ainsi un courant superfluide permanent et une circulation quantifiée. Enfin, nous avons réalisé un anneau dynamique, qui se forme sous l’effet de la force centrifuge lorsque l’on place les atomes de la bulle en rotation rapide. Il s’agit d’un superfluide supersonique de longue durée de vie dont la vitesse linéaire peut atteindre Mach 18. Nous mettons également en évidence un mode collectif d’un tel superfluide en rotation rapide. La réalisation expérimentale de l’anneau dynamique est une étape importante vers le régime du vortex géant

Degenerate quantum gases offer an ideal platform to study superfluidity. An annular su- perfluid has many subtle properties due to its topological geometry. In this manuscript, we present three ring-shaped superfluids, obtained with different formation mechanisms. The starting point of the experiments is a superfluid confined at the bottom of a bubble- shaped trap, generated by dressing atoms in a quadrupole trap with radio-frequency (rf) photons. Taking advantage of the smoothness of such an adiabatic trap allows us to realize these three annular superfluids.The first one is a levitating ring, formed on the surface of the bubble trap by compensating gravity. We study the structure taken by the atomic cloud related to fine effect of the rf polarization and the strong rf coupling. The second one is a ring trap, formed at the equator of the bubble with an additional blue detuned double light sheet. We set the annular gas into rotation by two methods, resulting in a persistent superfluid current and a quantized circulation. The last one is a fast-rotating dynamical ring, which forms under the effect of the centrifugal force. It is a long-lived supersonic superfluid whose linear velocity can reach Mach18. We also evidence a collective mode of such a rapid rotating superfluid. The experimental realization of the dynamical ring is an important step towards the giant vortex regime