Thèse soutenue

Test de l'invariance d'échelle dans un gaz de bosons bidimensionnel : préparation et caractérisation d'ondes solitaires
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Auteur / Autrice : Brice Bakkali-Hassani
Direction : Jean Dalibard
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 10/12/2021
Etablissement(s) : Sorbonne université
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
Jury : Président / Présidente : Leticia Tarruell
Examinateurs / Examinatrices : Xavier Leyronas
Rapporteurs / Rapporteuses : David Guéry-Odelin, Gabriele Ferrari

Résumé

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Lorsque la densité dans l'espace des phase d'un gaz de bosons identiques devient suffisamment élevée, il peut alors être décrit par une fonction d'onde macroscopique sujette à une dynamique non linéaire. Ces gaz quantiques sont aujourd'hui devenus des plateformes incontournables dans l'étude des solitons, objets fondamentaux de la physique non linéaire, aussi connus sous le nom d'ondes solitaires. Jusqu'à maintenant, l'essentiel des observations expérimentales de solitons a été limité à des situations unidimensionnelles, où les solitons sont stables naturellement. A l'inverse, les ondes solitaires de plus grande dimension sont généralement fragilisées par la présence d'instabilités dynamiques, rendant leur étude expérimentale plus difficile. Dans cette thèse, nous produisons des ondes solitaires à partir d'un système de bosons bidimensionnel. Après avoir présenté notre dispositif expérimental, nous montrons comment préparer de façon déterministe un soliton de Townes -- une solution remarquable de l'équation de Schrödinger non linéaire en dimension deux. Notre approche s'appuie sur l'utilisation d'un gaz à deux composantes : à partir d'un échantillon uniforme d'atomes dans un état interne donné, nous imprimons la fonction d'onde du soliton grâce à un transfert optique vers un autre état. Nous vérifions que le soliton peut exister sous diverses tailles, confirmant ainsi l'invariance d'échelle du modèle physique sous-jacent. Nous confirmons également la relation liant le nombre d'atomes contenu dans le soliton et la force des interactions. Nos observations expérimentales sont corroborées par des études numériques et théoriques. Par ailleurs, ces considérations nous permettent d'étudier la physique au-delà du modèle simple comportant un soliton de Townes, en considérant des effets allant au-delà du champ moyen. Finalement, nous proposons quelques expériences vouées à étudier les excitations, le mouvement et les collisions de tels solitons.