Equilibrium and transport properties of two-dimensional Bose gases in the presence of disorder
Propriétés d'équilibre et de transport de gaz de Bose bidimensionnels en présence de désordre
Résumé
In this thesis, we study the influence of disorder on the transport and equilibrium properties of two-dimensional (2D) Bose gases in the regime of quantum degeneracy. The systems we study are ultra-cold clouds of Rubidium 87, cooled and trapped by optical means, confined in 2D between two light sheets. The disordered potential is generated by laser speckles. The first experiment we describe studies the coherence properties of an interacting gas in the vicinity of the superfluid transition, called Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition. We quantitatively study the behavior of the momentum distribution of the gas through time-of-flight measurements. Our results are in agreement with Quantum Monte-Carlo simulation. In the presence of disorder, we observe that the growth of coherence is shifted to lower entropies. This result is a first step to the detailed study of the combined effects of interactions and disorder for 2D Bose gases. Our second experiment is a study of the transport properties of a 2D gas expanding in disorder. We first analyse in details the classical diffusion regime. We observe the characteristic decay of the central density with time and measure the diffusion coefficients depending on energy. The experimental results are in agreement with a specially developed classical numerical simulation. We then describe the experimental progress to reach the regime of quantum diffusion and Anderson localisation, together with a numerical simulation, with which we investigate experimental signatures of weak and strong localisation.
Dans cette thèse, nous étudions l'influence du désordre sur les propriétés d'équilibre et de transport de gaz de Bose bidimensionnels dans le régime de dégénérescence quantique. Les échantillons étudiés sont des nuages de Rubidium 87 ultra-froids, refroidis et piégés par des méthodes optiques, confinés à deux dimensions entre deux nappes de lumières. Le potentiel désordonné est un potentiel optique de speckle. La première expérience que nous décrivons est une étude des propriétés de cohérence du gaz en interaction au voisinage de la transition superfluide, appelée transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless. Nous étudions quantitativement le comportement de la distribution d'impulsion du gaz par mesure de temps de vol. Nos résultats sont en accord avec une simulation Monte-Carlo Quantique. En présence de désordre, nous observons que l'augmentation de la cohérence est décalée vers les plus basses entropies. Ce résultat constitue une première étape dans l'étude détaillée des effets combinés des interactions et du désordre pour des gaz de Bose 2D. Notre deuxième expérience est une étude des propriétés de transport d'un gaz 2D en expansion dans le désordre. Nous étudions d'abord le régime de diffusion classique. Nous observons la décroissance caractéristique de la densité centrale en fonction du temps et nous mesurons les coefficients de diffusion dépendant de l'énergie. Les résultats expérimentaux sont en accord avec une simulation numérique classique. Nous décrivons les améliorations expérimentales mises en place pour atteindre le régime de diffusion quantique et la localisation d'Anderson, ainsi qu'une simulation numérique avec laquelle nous explorons des signatures expérimentales de la localisation faible et forte.
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