Contrôle de systèmes complexes d'atomes froids – COCOA

Le projet rassemble des expérimentateurs et des théoriciens de Toulouse (LCAR UMR 5589, LPT UMR5152) et Orsay (LPTMS 8626). Nous proposons une nouvelle approche aux expériences d’atomes froids, où une complexité contrôlée rend le système très polyvalent. La complexité sera construite au cours du projet à partir de différents phénomènes physiques : effet tunnel, chaos, localisation quantique et interaction. Cela nous permettra non seulement d’étudier de nouveaux régimes de physique fondamentale (des systèmes désordonnés aux systèmes fortement corrélés) mais aussi de créer de nouveaux outils pour manipuler les atomes froids dans des régimes inaccessibles actuellement.

Dans ce but, nous nous focaliserons sur un système d’atomes froids piégés dans un réseau optique 1D, dont l’amplitude et la phase sont contrôlées dans le temps. Grâce à une modulation d’amplitude, le réseau est habillé par le chaos ce qui conduit à un espace des phases où des îlots réguliers sont séparés par une mer chaotique. L’effet physique central utilisé sera l’effet Tunnel Assisté par le Chaos (CAT), qui présente des résonances permettant de changer par des ordres de grandeurs l’amplitude tunnel entre deux îlots, et ce sur une gamme restreinte de paramètres (ici la fréquence de modulation du réseau). Nous démontrerons ces fortes variations et caractériserons la distribution des résonances, jamais observées avec des atomes froids.

Ensuite, nous augmenterons progressivement le degré de complexité en ajoutant des effets de localisation quantique et d’interactions. Ces nouveaux ingrédients n’ont jamais été considérés dans ce contexte. Leur inclusion constitue un défi théorique et expérimental. Le transport entre îlots réguliers peut être modifié de diffusif à localisé, conduisant à de nouveaux régimes d’effet tunnel qui seront caractérisés par leurs distributions. En particulier, nous utiliserons le CAT comme signature claire de la multifractalité, propriété cruciale de la transition de localisation difficile à observer expérimentalement. Nous construirons aussi une théorie des effets des interactions sur le CAT. Nous commencerons par le régime non-linéaire associé à un grand nombre d'atomes par site du réseau, en revisitant par exemple l'effet Josephson dans le régime chaotique. Nous accèderons ensuite au régime fortement corrélé en utilisant le dispositif expérimental avec un réseau optique 3D.

Sur la base de ces résultats fondamentaux, nous développerons de nouvelles techniques pour manipuler les atomes froids dans des réseaux optiques. L’habillage par le chaos offre la possibilité fascinante de créer des amplitudes de saut à longue portée. En présence d'interaction, le CAT permet également de modifier de façon drastique le rapport entre amplitude de saut et force des interactions avec des résonances similaires aux résonances de Feshbach. Ces nouveaux outils, reposant sur la physique universelle du CAT, sont indépendants de l’espèce atomique et peuvent également être facilement transposés en 2D et 3D. De par leur degré de contrôle, ces outils permettront d’élargir les possibilités offertes par les systèmes d’atomes froids et en particulier d’accéder à des modèles physiques et des régimes inaccessibles jusqu’à présent.

Les trois partenaires comprennent une équipe expérimentale d’atomes froids, une équipe théorique spécialiste de localisation d'Anderson, à l'interface avec les expériences et une équipe théorique experte du CAT et des effets à plusieurs corps. Les partenaires apportent des compétences clés de leurs domaines d'expertise complémentaires.