Exploring two-dimensional physics with Bose gases in box potentials: phase ordering and dynamical symmetry - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Exploring two-dimensional physics with Bose gases in box potentials: phase ordering and dynamical symmetry

Exploration de la physique à deux dimensions avec des gaz de Bose dans des potentiels à fond plat: ordre en phase et symétrie dynamique

Raphaël Saint-Jalm
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1064154

Résumé

The physics of two-dimensional systems is strongly different from the physics in three dimensions: their thermodynamical properties and their dynamical behaviour can differ in low dimensions. This work presents experiments performed with ultracold clouds of uniform weakly interacting bosons confined in two dimensions of space. These experiments explore some particularities of the thermodynamics and the dynamics of two-dimensional systems. Working with ultracold atoms provides the experimentalist with a rich toolbox: the geometry, the temperature, the internal state of the system is very well controlled, and the methods to investigate its properties are manifold. In particular we work with uniform Boses gases in highly tunable geometries. I describe the set-up and our experimental toolbox in a first part. In a second part I present experiments to investigate the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition of a two-dimensional Bose gas. It is a topological phase transition that displays quasi-long range order. We have developed a first experimental scheme to probe this quasi-long range order, which was not as reliable as expected. We then have found a second experimental procedure that provides more accurate results. In a third and final part I explain the symmetries that underlie the dynamics of a cloud near zero temperature in a harmonic potential. These symmetries are the hidden symmetries of the two-dimensional non-linear Schrödinger equation, which describes many other physical system. We could probe these symmetries experimentally, and we also observed initial shapes whose evolution is periodic in a harmonic potential in the presence of a non-linearity. They could constitute new breathers of this non-linear equation.
La physique des systèmes bidimensionnels est très différente de celle des systèmes à trois dimensions. Leurs propriétés thermodynamiques ainsi que leur dynamique peuvent radicalement changer lorsque la dimensionnalité d'espace est diminuée. Ce travail de thèse présente des expériences réalisées avec des gaz ultrafroids uniformes de bosons en interaction faible, et confinés à deux dimensions d'espace. Ces expériences permettent de mettre en lumière les particularités de la thermodynamique et de la dynamique des systèmes à deux dimensions. Un expérimentateur travaillant avec des atomes froids possède une boîte à outils très fournie: la géométrie, la température, l'état interne des atomes est très bien contrôlée, et les méthodes permettant d'étudier leurs propriétés sont nombreuses. En particulier, nous travaillons avec des gaz de densité uniforme dont la géométrie peut être choisie à volonté. Je décris l'installation expérimentale et sa boîte à outils dans une première partie. Dans une deuxième partie, je présente une série d'expériences concernant la transition de phase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless d'un gaz de Bose bidimensionnel. Il s'agit d'une transition de phase topologique qui présente un ordre à quasi-longue portée. Nous avons développé une première méthode expérimentale pour tester cet ordre à quasi-longue portée, mais cette méthode s'est avérée ne pas être assez fiable. Nous avons mis au point une deuxième procédure expérimentale qui fournit des résultats plus précis. Dans une troisième et dernière partie, je détaille les symétries qui sous-tendent la dynamique d'un gaz proche d'une température nulle dans un piège harmonique. Ces symétries sont les symétries cachées de l'équation de Schrödinger non-linéaire, qui décrit plusieurs autres systèmes physiques. Nous avons testé ces symétries expérimentalement, et nous avons également observé des formes dont l'évolution est périodique dans un potentiel harmonique en présence de non-linéarités. Ces formes pourraient constituer des "respirateurs" nouveaux ('breathers' en anglais) de cette équation non-linéaire.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-02464649 , version 1 (03-02-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02464649 , version 1

Citer

Raphaël Saint-Jalm. Exploring two-dimensional physics with Bose gases in box potentials: phase ordering and dynamical symmetry. Quantum Physics [quant-ph]. Université Paris Sciences et Lettres, 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02464649⟩
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