Inducing Periodic Effects in Bose-Einstein Condensates : Bloch Oscillations of Solitons and Superfluid Fraction
Effets périodiques induits dans les condensats de Bose-Einstein : oscillations de Bloch de solitons et fraction superfluide
Résumé
This thesis investigates two phenomena in Bose-Einstein condensates related to periodicity: temporal in the first case and spatial in the second. The theory is reviewed and experiments are performed with ultracold atoms. More specifically, our experimental platform consists of a two-dimensional gas of rubidium atoms confined in a flat-bottom boxof adjustable geometry. Our setup provides high control over the gas, allowing us to engineer arbitrary potentials and spin-textures. The first investigation explores solitons, stable wave packets that maintain their shape while propagating. After reviewing theoretical foundations, the thesis presents the experimental realization of magnetic solitons. These appear as a localized spin component immersed in a bath of another component. When subjected to a constant force, these solitons exhibit oscillatory motion. This behavior is similar to an electron in a crystal performing Bloch oscillations, despite the absence of a periodic potential. This remarkable phenomenon stems, in both cases, from the inherent periodicity of the energy-momentum relationship. Experiments in both linear and ring geometries verify these oscillations. In the ring configuration, we demonstrate that the oscillations can generate quantized currents. This represents a novel mechanism for creating persistent currents in quantum fluids. The second study examines how spatial modulation affects superfluidity, the ability to exhibit frictionless flow. The thesis experimentally demonstrates that breaking translational symmetry in a Bose-Einstein condensate reduces the superfluid fraction. This confirms predictions from the pioneering work of Leggett. We use optical lattices to create controlled density modulations. The superfluid fraction is measured using two methods: through sound propagation and compressibility measurements, and via analysis of the density profile of the cloud. The results confirm the expected reduction of superfluid fraction. These findings have particular relevance for supersolids, a state of matter exhibiting superfluid properties coexisting with spontaneous spatial ordering.
Cette thèse étudie deux phénomènes dans les condensats de Bose-Einstein liés à la périodicité : temporelle dans le premier cas et spatiale dans le second. La théorie est passée en revue et des expériences sont réalisées avec des atomes ultra-froids. Plus précisément, notre plateforme expérimentale consiste en un gaz bidimensionnel d'atomes de rubidium confinés dans une boîte à fond plat de géométrie ajustable. Notre dispositif offre un contrôle élevé sur le gaz, nous permettant de concevoir des potentiels et des textures de spin arbitraires. La première investigation explore les solitons, des paquets d'ondes stables qui maintiennent leur forme pendant la propagation. Après avoir revu les fondements théoriques, cette thèse présente la réalisation expérimentale de solitons magnétiques. Ceux-ci apparaissent comme une composante de spin localisée immergée dans un bain d'une autre composante. Lorsqu'ils sont soumis à une force constante, ces solitons présentent un mouvement oscillatoire. Ce comportement est similaire à celui d'un électron dans un cristal effectuant des oscillations de Bloch, malgré l'absence de potentiel périodique. Ce phénomène remarquable découle, dans les deux cas, de la périodicité inhérente à la relation énergie-impulsion. Des expériences dans des géométries linéaires et en anneau vérifient ces oscillations. Dans la configuration en anneau, nous démontrons que les oscillations peuvent générer des courants quantifiés. Cela représente un nouveau mécanisme pour créer des courants persistants dans les fluides quantiques. La seconde étude examine comment la modulation spatiale affecte la superfluidité, c'est-à-dire la capacité d'un fluide à s'écouler sans friction. La thèse démontre expérimentalement que briser la symétrie translationnelle dans un condensat de Bose-Einstein réduit la fraction superfluide. Cela confirme les prédictions des travaux pionniers de Leggett. Nous utilisons des réseaux optiques pour créer des modulations de densité contrôlées. La fraction superfluide est mesurée en utilisant deux méthodes :par la propagation du son et les mesures de compressibilité, et via l'analyse du profil de densité du nuage. Les résultats confirment la réduction attendue de la fraction superfluide. Ces découvertes ont une pertinence particulière pour les supersolides, un état de la matière présentant des propriétés superfluides coexistant avec un ordre spatial spontané.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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