Description du sujet de thèse

La superfluidité est un comportement collectif remarquable des fluides quantiques, caractérisé par une viscosité nulle et un écoulement sans friction, donnant lieu à des phénomènes tels que les courants persistants, les vortex quantifiés et des vitesses critiques définissant la stabilité de l’écoulement. En basse dimension, et en particulier dans les géométries unidimensionnelles, les fluctuations quantiques jouent un rôle amplifié, entraînant des différences significatives par rapport aux systèmes de dimension supérieure, comme la prédiction de l’existence d’une force de friction quantique non nulle à toute vitesse d’écoulement. La compétition entre cette friction quantique et l’ordre quasi à longue portée présent dans le système à basse température remet en question les définitions « standards » de la superfluidité.
Ce projet de thèse expérimentale s’appuie sur une expérience existante de condensation de Bose-Einstein d’atomes de potassium, et vise à explorer les propriétés de transport superfluide de gaz de Bose atomiques ultrafroids en basse dimension, confinés dans des pièges annulaires optiques. L’un des premiers objectifs du projet est de mettre en œuvre des pièges optiques conçus pour confiner les condensats de Bose-Einstein dans des potentiels annulaires optiques fortement focalisés. Ces potentiels permettent de réaliser un régime unidimensionnel pour les gaz quantiques, rendant possible l’étude de la superfluidité dans des conditions où la théorie du champ moyen « standard » devient insuffisante et où les fluctuations quantiques dominent. Le régime fortement corrélé sera exploré grâce à la combinaison d’un confinement optique intense et d’interactions atomiques renforcées par résonance de Feshbach.
Une fois ces outils expérimentaux mis en place, ils permettront de caractériser les vitesses critiques de la superfluidité, la dynamique des excitations et le rôle de la cohérence quantique. À terme, ces développements permettront d’explorer le devenir de la superfluidité unidimensionnelle au-delà du cadre du champ moyen, de valider des prédictions analytiques, et de guider les futures approches théoriques au-delà de l’état de l’art actuel.
Le projet est principalement expérimental, et s’inscrit dans le cadre de collaborations actives avec des spécialistes théoriciens du domaine. Le financement de la thèse est assuré par un projet ANR et le programme doctoral IKS.
[1] RMP 94, 041001 (2022) - Atomtronic circuits: From many-body physics to quantum technologies
[2] PRA 85, 053627(2012) - Probing superfluidity of a mesoscopic Tonks-Girardeau gas
[3] PRA 91, 063619 (2015) - Dynamic structure factor and drag force in a one-dimensional strongly interacting Bose gas at finite temperature

Contexte de travail

L’équipe 'Systèmes Quantiques' du laboratoire PhLAM bénéficie d’une reconnaissance internationale pour ses travaux sur la physique des atomes ultrafroids, en particulier sur les systèmes quantiques dynamiques désordonnés et chaotiques. Elle a récemment développé un nouveau dispositif expérimental de condensation de Bose-Einstein avec des atomes de potassium, qui permettra d’étudier des phénomènes originaux liés à la superfluidité en basse dimension.
Directeur de thèse : Radu Chicireanu
Lieu : Laboratoire PhLAM, Bâtiment P5, Cité scientifique de Villeneuve-d'Ascq (près de Lille).

Contraintes et risques

Il est demandé:
- Master 2 ou équivalent (5 ans de formation universitaire)
- Connaissances en mécanique quantique et physique de l'état solide
- Expérience dans un laboratoire expérimental