Transitions de phase en présence d'interactions et de désordre – DisorderTransitions

On the experimental side, in our project, we propose to go much further than the state of
the art in the observation of disorder effects in quantum gases. In particular, we plan to
develop and use several cutting edge techniques that have sometimes been demonstrated for
other purposes but never been used in the context of disordered quantum gases. These new
tools are in-situ high-resolution imaging in the disorder (even in 3D), all-optical cooling of
potassium atoms in order to be able to tune the interactions between atoms using Feshbach
resonance, and the use of Bragg spectroscopy in disordered systems. These three tools
require experimental efforts but will permit key advances for understanding the role of
disorder.

A RF spectroscopy setup in order to populated quantum states of given energy in the disorder is installed. Results are especially interesting as they permit to access the spectral function. Tests are under way to evaluate the resolution and some work has to be done to interpret the results.

Regarding the physics of disorder, important advances have been realized. In particular, the timescales associated with scattering in the disorder have been precisely investigated and compared with the theory, as a function of the disorder strength and as a function of the particle velocity (publication is preparation). A collaboration is underway is under to really compare the latest theoretical prediction of the 3D Anderson transition with the experimental results.

The potassium experiment permits the control of the interaction and it is now used to produce matter-wave bright solitons, i.e. wavepackets which propagate without dispersion due to attractive interaction. The propagation of such wave packet in disorder have been studied theoretically. A dramatic effect of interaction is predicted as a soliton could propagate in the disorder whereas single particle at the same velocity would be localized. This striking dynamics is now under experimental study.

From the theoretical point of view, Monte-Carlo studies of the 2D disordered Bose gas has been performed (G. Carleo, et al, PRL 111, 050406 (2013)). In particular, these studies confirm the BKT nature of the phase transition in the presence of disorder. Some additional studies in the presence of a trapping potential have been done in order to allow for a direct comparison with experiments. Theory and experiments are found to fit. This has not been published.

The group of Vincent Josse has performed experiments on suppression and revival of weak localization through control of time-reversal symmetry. This work is related to the addition of controlled decoherence in disordered samples.

Great progresses have already been done in the control of in the understanding of ultra cold disordered atomic gases. The problem of interacting quantum disordered systems remains a great challenge.

G. Salomon, et al, PRA 90, 033405 (2014))
G. Salomon, et al., EPL 104, 63002 (2014)
K. Müller et. al. Phys. Rev. Lett. 114, 205301 (2015).
G. Carleo, et al, PRL 111, 050406 (2013)

Nous proposons un nouveau programme de recherche sur les transitions de phase en présence de désordre et d’interactions dans les gaz quantiques à 2D et 3D, dimensions pour lesquelles il n’existe aucune théorie exacte. Nos études se focaliseront sur la compétition entre désordre, cohérence des phases et interactions. Notre programme se divise en deux parties : Premièrement, nous irons au delà de l’observation de la localisation Anderson en cherchant à caractériser précisément cet effet, notamment en présence de décohérence ou d’interactions faibles. Deuxièmement, nous étudierons l’effet du désordre sur les systèmes à N corps où les interactions donnent lieu à des phénomènes nouveaux, en particulier de nouvelles transitions de phase. La physique en présence de désordre est riche, complexe et varie en particulier suivant la dimensionnalité. Sa compréhension est le but de notre projet. Enfin, nous étudierons la dynamique hors équilibre des gaz de Bose désordonnés.

Deux développements techniques seront en particulier nécessaires. Tout d’abord, un dispositif d’imagerie avec un objectif de grande ouverture pour détecter efficacement les atomes avec une bonne résolution. Cela permettra en particulier la détection de la densité atomique à l’échelle du désordre et aussi des corrélations de densité, un outil important dans l’étude des système fortement corrélés. Ensuite, nous comptons développer le refroidissement du potassium, qui possède des résonnance de Feshbach accessibles qui permettront de varier les interactions entre atomes, un paramètre crucial de la physique à N-corps.

Ce projet sur les systèmes quantiques désordonnés est en lien avec des problèmes ouverts en physique de la matière condensée. Dans plusieurs systèmes expérimentaux, tels que les Si-MOSFET, les héterostructures de GaAs ou les films métalliques, le désordre joue un rôle crucial. Les supraconducteurs à hautes températures critiques sont aussi intrinsèquement désordonné à cause du dopage. Dans cet optique, nous proposons une collaboration avec M. Holzmann, spécialisé dans la simulations théoriques des systèmes électroniques, et qui nous permettra non seulement de simuler nos systèmes expérimentaux mais aussi de comprendre leurs relation avec ce qu’on connaît ou non en matière condensée. A la différence des systèmes électroniques, la description théorique du désordre et des interactions dans les gaz d’atomes froids est beaucoup plus simple et les paramètres peuvent être variés plus largement. Nous espérons que nos travaux permettront une meilleure compréhension des phénomènes et auront un impact au delà de la communauté des atomes froids.