Shortcuts to adiabaticity for ultracold gases
Raccourcis aux transformations adiabatiques de gaz ultrafroids
Résumé
In this thesis I explore the possibility of accelerating adiabatic processes for quantum systems. Experiments are performed with a trapped ultracold gas of Rubidium-87 atoms in two distinct regimes: with a one-dimensional thermal gas that can be considered non-interacting, and with a three-dimensional Bose-Einstein condensate for which interactions are dominant. In the first chapter, I recall some aspects of the theoretical description and important properties of such gases. The second chapter describes the Bose-Einstein condensation apparatus, mainly composed of two magneto-optical traps and a magnetic trap. In the third chapter, this setup is used to demonstrate that adiabatic processes -- in our case, the slow decompression and displacement of the gas -- can be dramatically accelerated by using a proper design of the time-dependent parameters of the system. The theoretical treatment is detailed and is not restricted to trapped gases. It may be applied to other physical systems described by either a linear or nonlinear Schrödinger equation containing a time-dependent harmonic potential. The final chapter is theoretical and not directly related to the others. In it I investigate the effect of disorder correlations on one-dimensional Anderson localization. I show that a degenerate mixture of Rubidium-87 and Potassium-41 atoms is well suited to study the localization-delocalization transition predicted by existing models of correlated disorder.
Dans ce mémoire, j'étudie la possibilité d'accélérer les transformations adiabatiques de systèmes quantiques. Les expériences ont été réalisées avec un gaz ultrafroid de Rubidium-87 dans deux régimes différents : d'une part avec un nuage thermique uni-dimensionnel dans lequel les interactions sont négligeables, et d'autre part avec un condensat de Bose-Einstein tri-dimensionnel pour lequel les interactions sont prépondérantes. Le premier chapitre de la thèse rappelle certains aspects théoriques ainsi que les principales propriétés des gaz ultrafroids. Le second chapitre décrit l'appareil expérimental de condensation de Bose-Einstein, principalement constitué de deux pièges magnéto-optiques et d'un piège magnétique. Dans le troisième chapitre, cet appareil est utilisé afin de prouver que les transformations adiabatiques, dans notre cas, une décompression accompagnée d'un déplacement du gaz, peuvent être considérablement accélérées si les paramètres dépendant du temps du système suivent une trajectoire particulière. Le traitement théorique qui est détaillé n'est pas limité aux gaz froids, mais est également applicable à tout système décrit par une équation de Schrödinger, aussi bien linéaire que non linéaire, dans laquelle le potentiel dépendant du temps est harmonique. Le dernier chapitre est théorique et quelque peu éloigné du reste du manuscrit. J'y étudie les effets des corrélations sur les systèmes désordonnés à une dimension dans lesquels la localisation d'Anderson est attendue. Je montre qu'un mélange dégénéré de Rubidium-87 et de Potassium-41 est adapté à l'observation de délocalisation induite par les corrélations du potentiel aléatoire.