Transport quantique bosonique – BOQUATRA

Nous manipulons des gaz de Bose dans des potentiels de géométries variées et contrôlables grâce à des modulateurs spatiaux de lumière. Cela nous permet de piéger des gaz de Bose à une ou deux dimensions avec des formes choisies et de contrôler ainsi la dynamique de ces systèmes.

D'autre part, nous pouvons manipuler des mélanges de différents états internes d'un même atome et ainsi accéder à la dynamique de spin dans ces systèmes. Nous avons notamment développé des outils qui nous permettent de créer des nuages d'impuretés de spin dans un bain superfluide avec un nombre d'atomes, un profil spatial et une impulsion globale arbitraires.

Résultats principaux

- Symétries dynamiques et breathers dans un gaz de Bose à 2D.
La gaz de Bose a deux dimensions présente une propriété d'invariance d'échelle. Nous avons utilisé cette invariance pour vérifier et observer de nombreuses caractéristiques de la dynamique de ce gaz dans des pièges harmoniques. De façon surprenante, nous avons observé des breathers dans ce système en interaction à N corps. Ce sont des états particuliers qui se reproduisent périodiquement à une période multiple ou sous-multiple de la période du piège. L'origine des breathers que nous avons découverts et observés reste largement incomprise à cette date.

- Interaction dipolaire magnétique dans un gaz de Bose planaire.
Nous avons observé qu'un mélange d'atomes dans deux états internes non magnétiques présente néanmoins des effets d'interaction dipôle-dipôle magnétique. Ces effets ont pour conséquence de modifier la longueur de diffusion inter-états. Cette observation, spécifique aux gaz de dimensionnalité réduite fournit un tout nouvel outil pour contrôler la dynamique de spin dans des mélanges superfluides.

- Mesure du contact dans un gaz de Bose planaire autour de la transition superfluide
Nous avons réalisé la première mesure expérimentale du contact dans un gaz de Bose à deux dimensions. Cette quantité est liée à l'énergie d'interaction du système qui varie d'un facteur 2 lorsque le système passe du régime d'un gaz (approximativement) parfait de bosons dans le régime haute température à un gaz dégénéré à température nulle. Aucune étude théorique ne permet à ce jour de décrire complètement tous les régimes explorés dans notre expérience, notamment autour du point critique de la transition.

Ce projet va permettre d'explorer la dynamique des gaz de bosons dans de nouveaux régimes.

Publications :

1. Phys. Rev. X 9 021035 (2020)
2. arXiv:2007.12385 (2020)
3. arXiv:2007.12389 (2020)

Je vais étudier la dynamique hors d’équilibre d’un gaz de bosons ultrafroids bidimensionnel. Pour ce faire, je réaliserai des nuages avec des variations spatiales de densité, de température ou d’état interne et j'étudierai leur relaxation vers l’équilibre ou éventuellement vers des états métastables. Les deux points phares de ce projet sont de réaliser des expériences visant à étudier (i) le transport quantique de bosons à travers un canal contenant un unique mode. (ii) la diffusion de quelques particules jouant le rôle d’impuretés et se propageant dans un bain d’atomes dans un autre état interne ; et ainsi réaliser une expérience de mouvement brownien quantique.

La réalisation de ce projet repose sur un dispositif expérimental que j’ai développé dans mon équipe ces dernières années et déjà pleinement opérationnel. Ce dispositif permet de confiner des gaz de Bose d’une part dans une nappe lumineuse restreignant leur mouvement à un plan et d’autre part dans une géométrie de forme arbitraire dans ce plan. Cette possibilité, aujourd’hui assez originale dans la communauté, de dessiner des potentiels arbitraires avec une bonne résolution spatiale va permettre de réaliser une grande variété de situations hors d’équilibre.

Une première ligne de recherche de ce projet se concentre sur la dynamique de transport dans un canal. Nous commencerons notre étude par le cas d’un canal bidimensionnel de grande taille (quelques microns) possédant de nombreux modes de conduction et directement réalisable sur notre système, afin d’étudier le transport de particules et de chaleur. Dans ce régime, nous caractériserons notamment le rôle du désordre dans le canal qui peut modifier fortement la dynamique de la fraction normale par rapport à celle de la fraction superfluide du gaz. Puis, en diminuant la largeur du canal, nous évoluerons progressivement vers le régime où un seul mode de conduction est autorisé et où des résultats spectaculaires, comme la quantification de la conductance thermique sont attendus.

Une deuxième ligne de recherche est consacrée à la dynamique de spin. L’atome de rubidium que nous manipulons possède plusieurs états hyperfins dans l’état électronique fondamental que l’on peut manipuler facilement soit grâce à un couplage par une onde dans le domaine micro-onde soit par des transitions optiques à deux photons (de type Raman) qui possède l’atout dans ce cas de pouvoir être résolue spatialement. Nous nous focaliserons sur la dynamique de mélanges binaires. Dans un premier temps nous étudierons les mélanges non miscibles de deux états de spin. Nous caractériserons la relaxation de situations hors d’équilibre créées par un ``quench ‘’, notamment en superposant brutalement les deux états de spins, situation pour laquelle nous avons déjà eu des résultats préliminaires. Puis, nous évoluerons vers l’étude de la dynamique d’impuretés dans un bain de particules dans un autre état interne et avec une interaction variable. Nous développerons de nouveaux outils pour permettre de mesurer le mouvement de seulement quelques particules individuelles avec une résolution sub-micrométrique. Nous réaliserons ainsi une situation où nous pourrons caractériser la diffusion de particules dans le régime du mouvement brownien quantique. Une évolution superdiffusive allant au-delà du régime Markovien est prédite dans cette situation.

Le projet durera 48 mois. Une partie importante des études proposées sont directement réalisables dans notre équipe. Nous développerons aussi de nouveaux outils (correction d’aberrations optiques pour réaliser des canaux monomodes, couplage Raman résolu spatialement avec transfert d’impulsion contrôlable, imagerie par fluorescence d’atomes individuels) pour accéder à des régimes d’intérêt allant au-delà de l’état de l’art actuel.