Description du sujet de thèse

La superfluidité est un compsortement collectif remarquable des fluides quantiques, caractérisé par l’absence de viscosité et un écoulement sans frottement. Elle se manifeste à travers des phénomènes tels que les courants persistants, les vortex quantifiés et les vitesses critiques garantissant la stabilité de l’écoulement. Dans les systèmes de basse dimension — en particulier en une dimension (1D) — les fluctuations quantiques jouent un rôle amplifié, conduisant à des différences profondes par rapport aux systèmes de dimension supérieure. Par exemple, des travaux théoriques prédisent l’existence d’une force de frottement non nulle, quelle que soit la vitesse d’écoulement, induite uniquement par les fluctuations quantiques [1,2]. La compétition entre ce frottement quantique et l’ordre quasi à longue portée qui émerge en 1D à basse température remet en cause la définition conventionnelle de la superfluidité.

Les pièges annulaires optiques offrent un confinement transverse fort et soutiennent des courants persistants en rotation [3], ce qui en fait des plateformes idéales pour étudier la superfluidité. Cependant, atteindre le régime 1D fortement corrélé reste un défi technique : jusqu’à présent, les expériences n’ont permis d’accéder qu’à des régimes de champ moyen ou marginalement 1D. Le premier objectif de ce projet est donc de concevoir et de mettre en œuvre des pièges optiques capables de confiner des condensats de Bose–Einstein (BEC) dans des potentiels annulaires fortement focalisés. Ces pièges seront réalisés en façonnant le profil de phase transverse de faisceaux laser à l’aide de modulateurs spatiaux de lumière — des masques de phase programmables capables d’imprimer des profils de phase et/ou d’intensité arbitraires sur les faisceaux. Combinés à des réseaux optiques supplémentaires assurant le confinement longitudinal, cet agencement permettra d’accéder au régime 1D fortement corrélé.

Les pièges annulaires développés dans ce projet seront ensuite utilisés pour étudier des comportements superfluides exotiques en géométrie réduite. Ils permettront de caractériser les vitesses critiques de superfluidité, la dynamique des excitations et le rôle de la cohérence quantique. Grâce aux interactions réglables dans les BEC de potassium, le projet explorera ces phénomènes sur une large gamme de régimes, allant du champ moyen au fortement corrélé. À plus long terme, ces avancées permettront d’explorer le devenir de la superfluidité unidimensionnelle au-delà du cadre du champ moyen, de valider expérimentalement des prédictions analytiques et d’orienter le développement de nouvelles approches théoriques.

Mots-clés : Gaz quantiques ultrafroids, superfluidité, simulations quantiques

[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

Intégration : La thèse sera accueillie au laboratoire PhLAM (Université de Lille, CNRS), au sein de l’équipe Quantum Systems, composée de sept chercheurs permanents, cinq doctorants et un post-doctorant. Le/la doctorant·e sélectionné·e contribuera aux expériences menées sur une plateforme existante de BEC de potassium et bénéficiera d’un fort soutien théorique local, ainsi que de collaborations avec des groupes théoriques et expérimentaux à Nice et à Paris.

Contraintes et risques

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