Quantum transport of ultracold atomic matterwaves: Anderson localization and guided atom laser.

Transport quantique d'ondes atomiques ultrafroides : localisation d'Anderson et laser à atomes guidé.

Alain Bernard (1)

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

This thesis deals with the issue of the experimental study of quantum transport of matterwaves with ultracold atoms. Being easily controlable, they offer the opportunity to create ideal toy systems, particularly in view of testing condensed-matter theories. The full experimental apparatus is described in detail in the thesis. It enables us to carry out both 1D and 3D experiments, from the expansion of coherent matterwaves out of a Bose-Einstein condensate. We focus on the issue of quantum transport in disordered media, which leads to Anderson localisation. We cast back here the recent results in 1D, which allowed us to directly observe the phenomenon with matterwaves. Then, we show the first steps towards the direct observation of the Anderson transition which occurs in 3D systems. Finally, we present a study about a guided atom laser, which could be particularly suited to the study of quantum transport of matterawes, since it allows independant control of the energy of the matterwaves and of the atomic flux, from which interactions are originating. The limits of such a tool are given, linked to both the generation of the beam with a radiofraquency pulse, and its propagation in a waveguide.

Cette thèse s'intéresse à la problématique de l'étude expérimentale du transport quantique d'ondes de matière avec des atomes froids. Ceux-ci étant facilement contrôlables, ils offrent la possibilité de créer des systèmes d'étude idéaux, notamment pour tester des théories de matière condensée. L'ensemble du système expérimental utilisé pour cela est décrit en détail dans le manuscrit. Il permet de réaliser des expériences aussi bien à une dimension qu'à trois dimensions, à partir de l'expansion cohérente d'ondes de matières issues d'un condensat de Bose-Einstein. Nous nous intéressons en particulier au problème du transport quantique dans les milieux désordonnés, qui conduit au phénomène de localisation d'Anderson. Nous rappelons ici les résultats récemment obtenus à une dimension, qui ont permis d'observer directement le phénomène avec des ondes de matière. Nous présentons ensuite les premières étapes d'une expérience ayant pour objectif l'observation directe de la transition d'Anderson, qui apparaît dans les systèmes tridimensionnels. Enfin, nous présentons une étude détaillée d'un laser à atomes guidés, qui pourrait se révéler être un outil particulièrement adapté à l'étude des phénomènes de transport quantique d'ondes de matière. Il permet en effet de contrôler de façon indépendante l'énergie des ondes de matière extraites, ainsi que le flux atomique à l'origine des interactions. Les limites d'un tel outil, liées à sa génération par une transition radiofréquence, aussi bien qu'à sa propagation dans un guide d'onde, sont données.

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

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

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Alain Bernard. Transport quantique d'ondes atomiques ultrafroides : localisation d'Anderson et laser à atomes guidé.. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00554880⟩