Quantum propagation of guided matter waves: Atom laser and Anderson localization

Propagation quantique d'ondes de matière guidées: Laser à atomes et localisation d'Anderson

Juliette Billy (1)

1 laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique / Optique atomique

This thesis presents the study of the quantum transport of matter waves, obtained from a Bose-Einstein condensate, in connection with electronic transport in solids. Indeed, cold atoms, which allow a very good control on the parameters of the system, are used nowadays to revisit fundamental problems of condensed matter physics. In this thesis, we study in particular the propagation of a condensate released into a one-dimensional optical guide in presence of a disorder created by laser speckle. This study leads to the first direct observation of the 1D Anderson localization of matter waves. This phenomenon, emblematic of the effect of disorder on the propagation of waves and initially predicted in condensed matter physics to explain the metal-insulator transition, has indeed been reported with different types of classical waves but had never been directly observed with matter waves. This work paves the way to more complex quantum transport experiments. In parallel, we study a new type of matter wave: the guided atom laser. This atom laser is propagating with a high de Broglie wavelength and offers the opportunity to control independently both its energy and flux. It is therefore well suited for studying quantum transport phenomena. We present in this thesis the characterization of its spectral width, performed via the measure of the transmission of the atom laser through a thick optical barrier.

Cette thèse a pour objet l'étude du transport quantique d'ondes de matière, obtenues à partir de condensats de Bose-Einstein, en connection avec les problèmes de transport électronique dans les solides. En effet, les atomes froids, de part le très bon contrôle qu'ils offrent sur les paramètres du système, sont aujourd'hui utilisés pour revisiter des problèmes fondamentaux de la matière condensée. Dans cette thèse, nous étudions en particulier la propagation d'une onde de matière créée par un condensat en expansion dans un guide optique 1D en présence de désordre, réalisé par un champ de tavelures laser (speckle). Cette étude a conduit à la première observation directe de la localisation d'Anderson 1D d'ondes de matière. Ce phénomène, emblématique de l'effet du désordre sur la propagation des ondes et initialement prédit dans le domaine de la matière condensée pour expliquer la transition métal-isolant, a en effet été mis en évidence avec divers types d'ondes classiques mais n'avait jamais été observé directement avec des ondes de matière. Ces travaux sont le point de départ à des expériences de transport quantique plus complexes. En parallèle, nous étudions un nouveau type d'onde de matière : le laser à atomes guidé. Celui-ci se propage avec une longueur d'onde de de Broglie élevée et offre la possibilité de contrôler indépendamment son énergie et son flux. Le laser à atomes est ainsi particulièrement adapté à l'étude de phénomènes de transport quantique. Nous présentons dans cette thèse la caractérisation de sa largeur spectrale, réalisée à partir de la mesure de la transmission du laser à atomes à travers une barrière de potentiel épaisse, réalisée optiquement.

Mots clés: cold atoms; matter wave; Bose-Einstein condensate; atom laser; optical guide; disorder; Anderson localization; quantum transport

Mots clés: atomes froids; onde de matière; condensat de Bose-Einstein; laser à atomes; guide optique; désordre; localisation d'Anderson; transport quantique

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Juliette Billy. Propagation quantique d'ondes de matière guidées: Laser à atomes et localisation d'Anderson. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00492482v2⟩