Fluides de lumière non linéaires et complexes – CONFOCAL

Nos méthodes analytiques incluent des approches diagrammatiques pour la lumière en environnement désordonné, des méthodes de Bogoliubov hors d'équilibre et des théories cinétiques pour traiter les interactions. Ces techniques sont complémentées par des simulations numériques poussées d'équations de Schrödinger non linéaires. Le projet implique également des collaborations avec des groupes de recherche expérimentaux travaillant sur les fluides de lumière.

Nos travaux ont récemment permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes très intéressants survenant au cours de la propagation d'un fluide de lumière dans un milieu non linéaire sans cavité. En s'éloignant de la limite paraxiale, par exemple, un fluide de lumière tend à développer des interactions spin-orbite optiques [1]. Cette découverte motive, entre autres, l'utilisation des fluides de lumière à des fins de simulation quantique de phénomènes de la matière condensée. Dans un autre exemple, nous avons exploré la dynamique hors d'équilibre d«un fluide de lumière bi-dimensionnel désordonné isolé jusqu'à sa thermalisation complète. Lorsque celle-ci est effective, le fluide peut être soit dans un état «normal« ou dans un état superfluide, selon la force relative du désordre et des interactions. Entre ces deux états, une transition de phase Kosterlitz-Thouless apparaît, à notre connaissance jamais observée pour de la lumière.

Une perspective à long terme du projet est la description systématique de la coexistence entre désordre, couplage spin-orbite et interactions entre photons dans un fluide de lumière. En particulier, du fait de la nature différente de l'interaction spin-orbite de la lumière par rapport à des particules massives, on peut s'attendre à une physique différente de celles des gaz d'atomes froids, par exemple. Sur le plan expérimental, l'observation et la caractérisation fine d'une transition Kosterlitz-Thouless pour la lumière, voire de phénomènes plus complexes comme l'émergence d'une phase isolante liée au désordre (localisation d'Anderson à N corps) constituent des enjeux majeurs.

[1] G. I. Martone, T. Bienaimé, N. Cherroret,  Spin-orbit-coupled fluids of light in bulk nonlinear media, Phys. Rev. A 104, 013510 (2021)
[2] L. Tessieri, Z. Akdeniz, N. Cherroret, D. Delande, P. Vignolo,  Quantum boomerang effect: beyond the standard Anderson model, Phys. Rev. A 103, 063316 (2021)
[3] N. Cherroret, T. Scoquart, D. Delande,  Coherent multiple scattering of out-of-equilibrium interacting Bose gases, Annals of Physics (2021) 168543
[4] T. Scoquart, P.-E. Larré, D. Delande, N. Cherroret,  Weakly interacting disordered Bose gases out of equilibrium: from multiple scattering to superfluidity,  EPL 132 (2020) 66001
[5] T. Scoquart, T. Wellens, D. Delande, N. Cherroret,  Quench dynamics of a weakly interacting disordered Bose gas in momentum space, PRResearch 2, 033349  (2020)
[6] J. Janarek, D. Delande, N. Cherroret, J. Zakrzewki,  Quantum boomerang effect for interacting particles, Phys. Rev. A 102, 013303 (2020)
T. Bardon-Brun, S. Pigeon, N. Cherroret, Classical Casimir force from a quasi-condensate of light, PRResearch 2, 013297 (2020)
[7] N. Cherroret, V. Josse, Ondes et désordre, «Atomes, ions, molécules ultra-froids. Applications aux technologies quantiques«, Editions EDP Sciences

CONFOcaL est un projet de physique théorique visant à explorer les propriétés des fluides de lumière désordonnés. Les fluides de la lumière constituent des nouveaux systèmes versatiles de photons en interactions effectives qui exhibent de nombreuses propriétés fascinantes des gaz quantiques. Ce sujet s'inscrit dans le cadre d'une forte activité scientifique dans le domaine des gaz atomiques froids, mais aborde ces questions du point de vue original de l'optique.

Le projet repose sur trois objectifs principaux. Tout d'abord, nous proposons d'étudier la manière dont les interactions effectives entre photons dans un faisceau optique - pouvant donner lieu à une superfluidité de la lumière - sont en concurrence avec les phénomènes dits "mésoscopiques" liés à la diffusion multiple cohérente de la lumière en présence de désordre, comme la localisation d'Anderson ou la rétrodiffusion cohérente. Dans un deuxième temps, nous nous attacherons à décrire les mécanismes permettant à un fluide de la lumière désordonné de se thermaliser ou même de se "condenser" à cause des interactions entre photons. En particulier, la possibilité d'une transition photonique de Kosterlitz-Thouless sera explorée. Enfin, nous proposons une étude des phénomènes de localisation dans les faisceaux optiques désordonnés soumis à des champs de jauge réalisant soit un couplage spin-orbite, soit un champ magnétique pour les photons. Jusqu'à présent, toutes ces questions ont été peu, voire pas du tout abordées.

Le projet a un fort caractère interdisciplinaire, au carrefour de la physique des gaz quantiques, des systèmes désordonnés et de l’optique non linéaire. Cette interdisciplinarité est la promesse d’une physique riche, avec un impact potentiellement important sur la recherche dans ces domaines. CONFOcaL vise principalement à renforcer la compréhension fondamentale des fluides de lumière désordonnés, mais également à accompagner l'activité expérimentale en croissance rapide dans ce domaine récent. Dans ce contexte, le projet implique de fortes collaborations avec des groupes expérimentaux français de l'Institut de physique de Nice et du laboratoire Kastler Brossel à Paris.

CONFOcaL sera compétitif sur la scène internationale, car il bénéficiera de l'expertise du coordinateur et de son équipe de recherche dans les domaines des gaz quantiques en interaction et des systèmes désordonnés. Il impliquera également l'organisation de manifestations scientifiques soutenues par le groupement de recherche "Contrôle des Ondes en Milieu comPLEXE" du CNRS, dirigé par le coordinateur depuis 2018.