Projet ANR-11-PDOC-0021 – NONEQDYN : Dynamique hors équilibre de gaz de Bose en basses dimensions
Programme : Retour Post-Doctorants (RPDOC)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Aurélien PERRIN (UNIVERSITE DE PARIS XIII)
Partenaires : Laboratoire de Physique des Lasers
Montant : 450000.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : La dynamique des atomes ultra-froids comme une simulation des origines de l’univers ?Comprendre la dynamique de systèmes quantiques en interaction lors de leur passage à travers une transition de phase devrait permettre d’apporter un nouvel éclairage sur les premiers pas de l’univers à la suite du Big Bang.
Contrôle et investigation de la dynamique de particules quantiques en interactionLes travaux de Kibble et Zurek concernant les brisures spontanées de symétrie ayant lieu lors du passage d’un système quantique à travers une transition de phase du second ordre prédisent l’apparition de défauts topologiques dans le système qui subsistent à l’issue de la transition. Ces défauts pourraient être à l’origine de la structure actuelle de l’univers. L’objectif du projet consistera à forcer un système d’atomes ultra-froids à travers une transition de phase du second ordre, en l’occurrence à travers le seuil vers la condensation de Bose-Einstein. La dynamique du système à l’issue du processus sera sondé, essentiellement en observant les excitations résiduelles du système. Une mesure fine de la densité de défauts quantiques présents dans le gaz devrait permettre de valider ou non les modèles de Kibble et Zurek.
Des atomes ultra-froids dans des micropiègesLe refroidissement d’un gaz dilué de sodium repose sur des techniques récentes aujourd’hui bien maîtrisées. En combinant des lasers et des champs magnétiques il est possible de ralentir, piéger puis refroidir à des températures proches du zéro absolu des gaz dilués de sodium composé de quelques centaines de milliers de particules. Une des particularités du montage expérimental qui sera construit au début de ce projet est d’utiliser une puce à atomes, microstructures d’or déposées sur un semi-conducteur pour réaliser des micropièges magnétiques aux géométries originales qui permettront de confronter les théories de Kibble et Zurek à une grande diversité de situations physiques. Une autre originalité du montage sera d’intégrer un guide d’onde micro-onde sur la puce pour permettre de sonder pour la première fois une résonance micro-onde dite de Fano-Feshbach qui permettra le contrôle des interactions interatomiques. Enfin l’utilisation d’un système d’imagerie en fluorescence devrait permettre d’atteindre la sensibilité nécessaire à la résolution des défauts topologiques dont l’observation représente le cœur du projet.
Résumé de la soumission : Ce projet est centré sur l'étude des mécanismes de Kibble-Zurek qui décrivent l'apparition de défauts topologiques lors d'une transition de phase induisant une brisure de symétrie. Ces processus ont d'abord été introduit dans le contexte de la cosmologie. Ils peuvent néanmoins être simulés à l'aide de gaz de Bose amenés au seuil de la condensation de Bose-Einstein et forcés de subir la transition de phase. L'étude de la dynamique du gaz à l'issue de ce passage constitue l'objectif principal de ce projet. De manière à faciliter la comparison des résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques, les systèmes étudiés seront confinés dans des pièges de basse dimension. Travailler dans de tels régimes permet généralement aussi de découvrir des phénomènes physiques originaux.Les expériences seront menées sur un nouveau dispositif expérimental qui sera construit au début du projet. Ce dernier tirera partie de l'utilisation de puces à atomes qui permettent de réaliser des micro-pièges dans lesquels les atomes peuvent être confinés. Le dessin de la puce contiendra un guide micro-onde, rendant possible l'étude de résonances de Fano-Feshbach induites par micro-onde. Ces dernières peuvent permettre de contrôler les caractéristiques des collisions inter-atomiques. Elles ont été prédites récemment et seront utilisées au cours de ce projet pour déclencher la dynamique des systèmes étudiés et explorer les régimes d'interaction forte des gaz de Bose.
Résultats : Après 6 mois de travail sur le projet, la construction du dispositif expérimental progresse mais il est encore un peu tôt pour parler de premiers résultats. Dans le cadre d’une collaboration soutenue avec le groupe de Jörg Schmiedmayer de Vienne et celui de Karen Kheruntsyan de l’université du Queensland à Brisbane, de premières études théoriques connexes au projet ont pu être entreprises.
Perspectives : De nombreuses perspectives peuvent être espérées à l’issue de ce projet tant il reste à faire pour explorer en profondeur la dynamique de systèmes quantiques en interaction. L’ampleur des perspectives attendues pourra plus facilement être estimé une fois le dispositif expérimental construit et les premiers résultats obtenus.
Publications et brevets : Pour l’instant seul un article concernant les corrélations d’un gaz de Bose sans interaction au seuil de la condensation de Bose-Einstein a été obtenu dans le cadre d’une collaboration entre Villetaneuse, Vienne et Brisbane. Ces travaux restent connexes au problème central de ce projet mais sont loin d’être dénué d’intérêt pour les études à venir. Une publication a été soumise récemment et un preprint est disponible en accès libre : arXiv1207.1278v1