Dynamique superfluide d'un gaz quantique de basse dimension confine´ dans un anneau – SuperRing

Ce projet a pour objectif l'étude expérimentale et théorique de la superfluidité, du transfert de moment cinétique et des glissements de phase dans les gaz quantiques en géométrie annulaire. Le but est de développer un simulateur quantique capable de répondre à des problématiques de matière condensée, en particulier concernant les anneaux supraconducteurs, utilisés tant en métrologie qu'en calcul quantique. Les retombées attendues concernent le piégeage d'atomes ultra froids en dimension réduite dans des anneaux, la mise en oeuvre d'un transfert contrôlé de moment cinétique, et la compréhension des mécanismes responsables de sa dissipation, en allant du régime bidimensionnel (2D) au régime unidimensionnel (1D). Ces résultats auront un impact en interférométrie atomique et ouvrent la voie à la réalisation de superpositions macroscopiques d'états de circulation différente, d'un grand intérêt pour le calcul et la simulation quantiques.

Une des caractéristiques remarquables d'un superfluide est sa faculté de s'écouler sans dissipation en dessous d'une vitesse critique. Si le gaz est superfluide, l'écoulement persiste dans l'anneau et possède une vitesse dont la circulation sur un tour est quantifiée, décrite par un nombre entier l. Nous proposons d'étudier les mécanismes de mise en rotation du gaz quantique.

Condensation de Bose-Einstein et de superfluidité sont reliées, et apparaissent simultanément en dimension trois dans un gaz de bosons en interaction faible. Ce n'est plus le cas en dimension réduite. A 2D, la superfluidité est régie par le mécanisme de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless impliquant des vortex. A 1D, la physique est décrite par la théorie des liquides de Luttinger. Alors que l'on s'attend à ce que les vortex jouent aussi un rôle très important dans la dynamique d'un gaz 2D, ils ne peuvent exister à 1D, où les défauts topologiques sont des solitons.

Notre montage expérimental a été conçu pour obtenir un gaz dégénéré d'atomes de rubidium dans un piège en anneau, avec des paramètres (rayon de l'anneau, ellipticité, fréquences d'oscillation verticale et radiale) largement accordables, permettant d'explorer le régime 2D ou 1D. Tous ces paramètres peuvent être modifiés de façon dynamique. Avec ce montage, nous mesurerons la vitesse de rotation critique d'un défaut pour créer des excitations dans le gaz annulaire 2D ou 1D. Ce défaut sera soit le spot d'un laser focalisé, soit une déformation elliptique de l'anneau. Nous étudierons la possibilité de préparer un état de circulation l donné par ce type d'excitation, suivie d'un refroidissement. Ces mesures seront comparées aux calculs théoriques de la vitesse critique et de la force de traînée, et à des simulations numériques de la dynamique.

Nous étudierons également le problème de la dissipation par glissement de phase, dans un processus où la circulation passe de l à l-1. Pour cela, nous construirons un système laser permettant de préparer le superfluide dans un état de circulation l déterminé. A 2D, la réduction de l à l-1 peut se faire par expulsion d'un vortex par le bord externe de l'anneau. Nous étudierons ensuite deux anneaux concentriques couplés, dans une géométrie multimode quadi-1D, en présence d'une rotation. Nous analyserons théoriquement l'état du système pour des interactions arbitraires et les possibles transitions lorsque l'on augmente la vitesse de rotation. Dans le régime 1D strict, on s'attend à ce que les solitons jouent un rôle prépondérant, et à observer un glissement de phase quantique, résultant en une superposition macroscopique de deux états de circulation différente. Ces glissements de phase quantiques n'ont encore jamais été observés dans un gaz quantique.