Transition d'Anderson en 3D d'atomes ultrafroids dans des potentiels désordonnés : observation du seuil de mobilité

3D Anderson transition of ultracold atoms in disordered potentials : observation of the mobility edge

• Auteur / Autrice : Yukun Guo
• Direction : Vincent Josse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Charles Fabry / Gaz Quantiques
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Comparat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Beugnon, Patrizia Vignolo, Juliette Billy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Beugnon, Patrizia Vignolo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport quantique

Atomes froids

Anderson, Modèle d'

Mots clés libres

Transition d'Anderson 3D

Atomes Ultrafroids

Seuil de mobilité

Anderson transition 3D

Ultacold atoms

Mobility edge

Résumé

Dans ma thèse, j'étudie la transition Anderson 3D dans les atomes ultra-froids (BEC). L'objectif principal de ma recherche est de mesurer le seuil de mobilité de la transition Anderson. Pour y arriver, nous utilisons une méthode de spectroscopie avec un désordre dépendant de l'état.Tout d'abord, je présente le contexte de la localisation Anderson et de la transition Anderson 3D. Je revois trois expériences précédentes dans les atomes ultra-froids qui ont tenté de sonder la localisation Anderson en 3D et le seuil de mobilité de la transition Anderson de 2011 à 2015. Je discute de leurs réalisations et identifie leurs limites, en particulier la distribution énergétique large des atomes dans le désordre, ce qui rendait difficile l'estimation du seuil de mobilité. Il est soutenu que la mesure directe et précise du seuil de mobilité de la transition Anderson reste un défi important dans le domaine. Pour faire face à cela, notre équipe a proposé une méthode de spectroscopie.Ensuite, je décris notre configuration expérimentale, y compris comment nous générons un condensat de Bose-Einstein et créons un potentiel de désordre en utilisant un speckle de laser. Je présente les résultats expérimentaux de notre équipe de 2018, où ils ont mesuré la fonction spectrale dans un potentiel de désordre dépendant de l'état. À l'époque, notre potentiel dépendant de l'état était basé sur un schéma de speckle monochromatique, qui a induit une forte diffusion de photons pour les atomes dans le désordre, empêchant une observation à long terme des propriétés de transport. C'était la principale limitation que nous voulions améliorer.Pour remédier à cela, nous avons proposé un désordre à speckle bichromatique, composé de deux lasers. Les deux lasers étaient largement désaccordés des résonances atomiques, réduisant la diffusion de photons de deux ordres de grandeur. Nous avons vérifié expérimentalement que ce design est dépendant de l'état, puis reproduit la mesure de la fonction spectrale et démontré que nous améliorons la durée de vie de la diffusion de photons des atomes dans le désordre de deux ordres de grandeur. Cela ouvre la possibilité de mesurer le seuil de mobilité de la transition d'Anderson.Nous présentons la mesure du seuil de mobilité et nos résultats expérimentaux dans ma thèse. Même si nos résultats sont préliminaires, ils montrent un accord exceptionnellement excellent avec les prévisions numériques. Nous analysons nos données et identifions quelques imperfections à corriger. Nous proposons des solutions possibles pour l'amélioration future et travaillons actuellement à les mettre en œuvre.Dans nos résultats expérimentaux, il est possible d'étudier directement le régime critique de la transition d'Anderson. Par exemple, en fonction de nos mesures, une fois les imperfections améliorées, nous pourrions tenter d'estimer l'exposant critique de la transition d'Anderson. Nous pourrions également explorer différentes géométries de speckle pour tester l'universalité du seuil de mobilité et aller plus loin dans le régime quantique (faible régime de désordre). En outre, notre schéma de spectroscopie à résolution d'énergie offre la possibilité d'étudier le spectre multi-fractal des états propres près du régime critique.

In my thesis, I study the 3D Anderson transition in ultracold atoms (BECs). The main objective of my research is to measure the mobility edge of the Anderson transition. To achieve this, we use a spectroscopy method with a state-dependent disorder.First, I provide background on Anderson localization and the 3D Anderson transition. I review three previous experiments in ultracold atoms that attempted to probe the Anderson localization in 3D and the mobility edge of the Anderson transition from 2011 to 2015. I discuss their accomplishments and identify their limitations, especially the broad energy distribution of atoms in disorder, which made it difficult to estimate the mobility edge. It is argued that the direct and precise measurement of the mobility edge of the Anderson transition remains a significant challenge in the field. To address this, our team proposed a spectroscopy method.Next, I describe our experimental setup, including how we generate a Bose-Einstein condensate and create a disorder potential using laser speckle. I present our team's experimental results from 2018, where they measured the spectral function in a state-dependent disordered potential. At the time, our state-dependent potential was based on a monochromatic speckle scheme, which induced strong photon scattering of atoms in disorder, preventing long-term observation of transport properties. This was the key limitation that we aimed to improve.To address this, we proposed a bichromatic speckle disorder, composed of two lasers. The two lasers were far detuned from atomic resonances, reducing photon scattering by two orders of magnitude. We experimentally verified that this design is state-dependent, then reproduced the spectral function measurement and demonstrated that we do improve the photon scattering lifetime of atoms in disorder by two orders of magnitude. This opens the possibility of measuring the mobility edge of the Anderson transition.We present the measurement of the mobility edge and our experimental results in my thesis. Even though our results are preliminary, they show an unprecedentedly excellent agreement with numerical predictions. We analyze our data and identify some imperfections that need to be addressed. We propose possible solutions for future improvement and are currently working on implementing them.Our experimental results open up the possibility of studying the critical regime of the Anderson transition directly. For example, based on our measurements, once the imperfections have been improved, we may attempt to estimate the critical exponent of the Anderson transition. We may also explore different speckle geometries to test the universality of the mobility edge and delve further into the quantum regime (low disorder regime). Additionally, our energy-resolved spectroscopy scheme offers the potential to study the multi-fractal spectrum of eigenstates near the critical regime.