Coherence and superfluidity of Bose gases in reduced dimensions: from harmonic traps to uniform fluids

Autor: Chomaz, Lauriane
Přispěvatelé: Chomaz, Lauriane, Laboratoire Kastler Brossel (LKB (Lhomond)), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Fédération de recherche du Département de physique de l'Ecole Normale Supérieure - ENS Paris (FRDPENS), École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure, Jean Dalibard, Ecole normale supérieure - ENS PARIS, STAR, ABES, Fédération de recherche du Département de physique de l'Ecole Normale Supérieure - ENS Paris (FRDPENS), École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2014
Předmět:
Zdroj: Physics [physics]. Ecole Normale Supérieure, 2014. English
Physics [physics]. Ecole normale supérieure-ENS PARIS, 2014. English. ⟨NNT : 2014ENSU0013⟩
Physics [physics]. Ecole Normale Supérieure, 2014. English. ⟨NNT : ⟩
Popis: The dimensionality of a system strongly affects its physical properties; the phase transitions that take place and the type of order that arises depend on the dimension. In low dimensional systems phase coherence proves more difficult to achieve as both thermal and quantum fluctuations play a stronger role. The two-dimensional Bose fluid is of particular interest as even if full order is precluded, a residual "quasi-long" range order arises at low temperatures. Then two ingredients have a significant effect on the state of the system: (i) the finite size of a real system enables one to recover of a macroscopic occupation of a single-particle state; (ii) the interactions between particles lead to the emergence of a non-conventional type of phase transition toward a superfluid state.In this thesis, we present an experimental study of the two-dimensional (2D) Bose gas using two different energy landscapes to trap our atoms. In the first part, we use the spatial dependence of some local properties of an inhomogeneous gas to characterize the state of the equivalent homogeneous system. We extract its equation of state with a high accuracy from the gas density profiles and test its superfluid behavior by measuring the heating induced by a moving local perturbation. In the second part, we observe and characterize the emergence of an extended phase coherence in a 2D homogeneous gas in particular via a 3D-to-2D dimensional crossover. We investigate the dynamical establishment of the coherence via a rapid crossing of the dimensional crossover and observe topological defects in the final superfluid state. We compare our findings with the predictions for the Kibble–Zurek mechanism.
La dimensionnalité d’un système affecte fortement ses propriétés physiques ; les transitions de phase qui s’y déroulent ainsi que le type d’ordre qui y apparaît dépendent de la dimension. Dans les systèmes de basse dimension, la cohérence s’avère plus difficile à établir car les fluctuations thermiques et quantiques y jouent un rôle plus important. Le fluide de Bose à deux dimensions est particulièrement intéressant car, même si un ordre total est exclu, un ordre résiduel à « quasi-longue » portée s’établit à basse température. Deux ingrédients ont un effet significatif sur l’état du système : (i) la taille finie d’un système réel permet de retrouver une occupation macroscopique d’un état à une particule ; (ii) les inter- actions entre particules conduisent à l’apparition d’un type non-conventionnel de transition de phase vers un état superfluide.Dans cette thèse, nous présentons une étude expérimentale du gaz de Bose bidimensionnel (2D) utilisant deux types de paysages énergétiques pour piéger nos atomes. Dans la première partie, nous utilisons la dépendance spatiale de certaines propriétés locales d’un gaz inhomogène pour caractériser l’état du système homogène équivalent. Nous extrayons son équation d’état des profils de densité et nous testons son comportement superfluide en mesurant le chauffage induit par le mouvement d’une perturbation locale. Dans la deuxième partie, nous observons et caractérisons l’émergence d’une cohérence de phase étendue dans un gaz 2D homogène, en particulier via le passage de trois dimensions à deux (croisement dimensionnel). Nous étudions l’établissement dynamique de la cohérence par un passage rapide du croisement dimensionnel et nous observons des défauts topologiques dans l’état superfluide final. Nous comparons nos résultats avec les prédictions du mécanisme de Kibble–Zurek.
Databáze: OpenAIRE
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