Exploration de la physique à N corps dans un gaz de Bose bidimensionnel : interactions atome-dimère et fraction superfluide à température nulle

Probing few and many-body physics in a planar Bose gas : Atom-dimer interactions and zero-temperature superfluid fraction

• Auteur / Autrice : Chloé Maury
• Direction : Jérôme Beugnon, Jean Dalibard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/02/2023
• 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 : Chiara Fort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Leyronas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Claude Garreau, Olivier Dulieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problème à N corps

Dynamique moléculaire

Superfluidité

Atomes froids

Bose-Einstein, Gaz de

Mots clés libres

Bosons

Superfluidité

Molécules

Bose gases

Superfluidity

Molecules

Résumé

La dimensionnalité joue un rôle important dans les systèmes physiques. Un gaz d’atomes froids confiné dans une géométrie à deux dimensions a des propriétés thermodynamiques très différentes de celles observées dans un gaz à trois dimensions. Dans cette thèse, nous présentons des expériences réalisées sur un gaz de bosons ultra-froids confinés à deux dimensions et interagissant faiblement entre eux. Dans un premier temps, nous décrivons ce système avec une approche de champ moyen et nous présentons le dispositif expérimental qui nous permet de l’étudier. Ensuite, nous décrivons deux expériences traitant deux sujets distincts, toutes deux menées dans le régime superfluide à température quasi-nulle. Nous commençons par décrire des expériences de création de dimères par photoassociation induite par la radiation d’un champ micro-ondes sur des atomes piégés dans un potentiel à fond plat. Cette expérience nous permet de caractériser le potentiel d’interaction de notre espèce atomique, le rubidium 87. Nous caractérisons aussi l’interaction entre les dimères créés et le bain d’atomes libres. Dans une troisième partie, nous imposons une brisure d’invariance par translation à notre gaz de bosons à température nulle en créant un potentiel spatialement modulé dans une des deux directions du nuage atomique. Nous montrons par deux mesures distinctes que la densité superfluide, égale à la densité totale pour un gaz homogène, décroît lorsque l’invariance par translation est brisée. Nous mesurons la vitesse de son dans la direction parallèle et perpendiculaire à la modulation spatiale d’une part, et nous estimons la fraction superfluide d’après une définition introduite par Leggett en 1970 d’autre part. Nous observons alors une fraction superfluide qui décroît lorsque l’amplitude de modulation augmente.

Dimensionality plays an important role in physical systems. A gas of ultracold atoms confined in a two-dimensional geometry has very different thermodynamic properties from those observed in a three-dimensional gas. In this thesis, we present experiments performed on a gas of ultracold bosons trapped in two dimensions and interacting weakly with each other. First, we describe this system with a mean-field approach and present the experimental setup that allows us to study it. Then, we describe two experiments dealing with two distinct topics, both conducted in the superfluid regime at near zero temperature. We first describe the creation of dimers by microwave-induced photoassociation of atoms trapped in a flat-bottom potential. This experiment allows us to characterise the interaction potential of our atomic species, rubidium 87. We also characterise the interactions between the dimers created and the bath of free atoms. In a third part, we impose a breaking of translational invariance on our zero-temperature gas of bosons by creating a spatially modulated potential in one of the two directions of the atomic cloud. We show with two distinct measurements that the superfluid density, equal to the total density for a homogeneous gas, decreases when the translational invariance is broken. We measure the sound velocity in the direction parallel and perpendicular to the spatial modulation on the one hand, and estimate the superfluid fraction according to a definition introduced by Leggett in 1970 on the other hand. We then observe a superfluid fraction which decreases as the modulation amplitude increases.