Cohérence quantique et superfluidité dans les gaz atomiques

Cohérence quantique et superfluidité dans les gaz atomiques

Grâce au refroidissement lumineux complété par le refroidissement par évaporation, on sait abaisser la température des gaz atomiques dans un domaine de température inédit, situé entre le nano et le microkelvin. Quand les atomes sont des particules de spin entier, donc des bosons, ce refroidissement peut donner naissance à un condensat de Bose–Einstein, comme celui représenté sur la figure 1. Ce phénomène observé pour la première fois il y a une vingtaine d’années [voir par exemple les conférences Nobel de Cornell & Wieman (2002) et Ketterle (2002)] a donné naissance à un vaste champ de recherche, allant de la physique à N corps à la métrologie.

Figure 1 cours 2016

Le cours de cette année a été consacré à l’étude des propriétés de cohérence et de superfluidité de ces gaz d’atomes. La cohérence apparaît comme une conséquence directe du phénomène de condensation prédit par Einstein (1925) à partir des travaux de Bose (1924). L’accumulation d’atomes dans un état donné donne naissance à une onde de matière macroscopique dont la cohérence peut être évaluée à partir d’expériences d’interférence. En parallèle avec cette apparition de la cohérence, on observe dans ces gaz un comportement superfluide, se traduisant par une absence de chauffage lorsqu’ils sont traversés par une impureté mobile. Une autre manifestation de la superfluidité concerne l’existence de courants permanents, excitations macroscopiques métastables de longue durée de vie. Il existe ainsi un lien étroit entre la physique de ces gaz d’atomes froids et celle de l’hélium liquide, en dépit d’une différence de 8 à 10 ordres de grandeur entre leurs densités.

Le cours de cette année s'est attaché à établir des liens entre ces différentes propriétés des fluides quantiques atomiques. À partir de modélisations théoriques relativement simples (équation de Gross-Pitaevskii, méthode de Bogoliubov, ansatz de Gutzwiller, etc.), nous avons étudié le cas des systèmes homogènes ainsi que celui des gaz confinés dans des réseaux optiques, avec notamment la transition entre un état superfluide et un état isolant de Mott. Nous avons également décrit une série d’expériences récentes menées sur ces systèmes, mettant en évidence différentes facettes de la cohérence macroscopique et de la superfluidité.

Notons que nous nous sommes limités cette année au cas de gaz de Bose polarisés, pour lesquels les concepts de cohérence et de superfluidité sont les plus simples à présenter. Les gaz de fermions en interaction présentent eux aussi des propriétés superfluides (Inguscio, Ketterle, et al. 2008 ; Bennemann & Ketterson 2013), tout comme les mélanges bosons-fermions (Ferrier-Barbut, Delehaye, et al. 2014) et les gaz spineurs (Stamper-Kurn & Ueda 2013) : l’étude de ces systèmes plus complexes fera l’objet de cours ultérieurs.

Références

  • Bennemann, Karl-Heinz & John B. Ketterson (2013), Novel superfluids, vol. 1 and 2, Oxford University Press.

  • Bose, S. N. (1924), « Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese », in Z. Phys. 26, p. 178.

  • Cornell, E. A. & C. E. Wieman (2002), « Nobel Lecture : Bose–Einstein condensation in a dilute gas, the first 70 years and some recent experiments », in Rev. Mod. Phys. 74.3, pp. 875–893.

  • Einstein, A. (1925), « Quantentheorie des einatomigen idealen Gases. II », in Sitzungsberichte/Physikalische Klasse, Preussische Akademie der Wissenschaften 1, p. 3.

  • Ferrier-Barbut, Igor, Marion Delehaye, Sebastien Laurent, Andrew T. Grier, Matthieu Pierce, Benno S. Rem, Frédéric Chevy & Christophe Salomon (2014), « A mixture of Bose and Fermi superfluids », in Science 345.6200, pp. 1035-1038.

  • Inguscio, M, W. Ketterle & C. Salomon, eds. (2008), Ultra-cold Fermi Gases, Proceedings of the International School of Physics Enrico Fermi, Course CLXIV, Varenna 2006, IOS Press.

  • Ketterle, W. (2002), « Nobel lecture: When atoms behave as waves: Bose-Einstein condensation and the atom laser », in Rev. Mod. Phys. 74.4, pp. 1131-1151.

  • Stamper-Kurn, Dan M. & Masahito Ueda (2013), « Spinor Bose gases : Symmetries, magnetism, and quantum dynamics », in Rev. Mod. Phys. 85 (3), pp. 1191-1244.