Étude de la superfluidité en basse dimension avec des condensats de Bose-Einstein atomiques en géométrie annulaire // Study of Superfluidity in Low Dimensions with Atomic Bose-Einstein Condensates in Ring Geometry

La superfluidité est un comportement collectif remarquable des fluides quantiques, caractérisé par une viscosité nulle et un écoulement sans friction, conduisant à des phénomènes tels que les courants persistants, les vortex quantifiés et des vitesses critiques pour la stabilité de l'écoulement. Cependant, en basses dimensions — en particulier dans les géométries unidimensionnelles — les fluctuations quantiques jouent un rôle amplifié, entraînant des différences significatives par rapport aux systèmes de dimensions supérieures, comme la prédiction d'une force de friction quantique non nulle pour toute vitesse d'écoulement. La compétition entre cette force de 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 doctorat experimental s'appuie sur une expérience de condensation de Bose-Einstein d'atomes de potassium, et vise à explorer les propriétés de transport superfluide des gaz de Bose atomiques ultrafroids en basse dimension, confinés dans des pièges annulaires optiques. Le régime fortement corrélé sera étudié grâce à l'interaction entre un confinement optique intense et des interactions atomiques fortes, rendues possibles par des résonances de Feshbach. Un aspect central du projet est le développement et la mise en œuvre de pièges optiques conçus pour confiner les condensats de Bose-Einstein dans des potentiels annulaires de type Laguerre-Gaussien 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.
Les protocoles expérimentaux incluront la calibration précise de barrières optiques, des modulations dynamiques, des potentiels en rotation, ainsi que des méthodes de détection telles que l'imagerie après temps de vol et les interférences sensibles à la phase. Ces techniques 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'étudier 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 financement de la these est acquis via projet ANR et le programme gradue IKS.
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Superfluidity is a striking collective behavior of quantum fluids, characterized by a vanishing viscosity and frictionless flow, leading to features such as persistent currents, quantized vortices, and critical velocities for flow stability. In low dimensions however, and particularly in one-dimensional geometries, quantum fluctuations have an enhanced role, leading to significant differences compared to higher-dimensional ones, such as the predictions of a non-zero quantum friction force existing any flow velocity. The competition between this quantum friction force and the quasi long-range order in the system at low temperatures question the ‘standard' definitions of superfluidity.
The experimental PhD project is based on a potassium Bose-Einstein experiment, and is aimed towards exploring the superfluid transport properties of low-dimensional ultracold atomic Bose gases confined in optical ring traps. The strongly-interacting regime will be explored using the interplay between strong optical confinement and large interactions enabled by Feshbach resonances. A central aspect of the project is the development and implementation of optical traps designed to confine Bose-Einstein condensates in tightly focused Laguerre-Gaussian ring potentials. These potentials create a one-dimensional regime for quantum gases, enabling the study of superfluidity in conditions where ‘standard' mean-field theory is insufficient, and quantum fluctuations dominate.
Experimental protocols will include the precise calibration of optical barriers, dynamic modulations and rotating potentials, and detection methods such as time-of-flight imaging and phase-sensitive interference. This techniques will be aimed at characterizing critical speeds for superfluidity, excitation dynamics, and the role of quantum coherence. Ultimately, these developments will allow the investigation of the fate of 1D superfluidity beyond the mean-field framework, validate analytical predictions and guide future theoretical directions beyond the current state-of-the-art.

The PhD funding is secured through an ANR project and the IKS graduate program
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Début de la thèse : 01/10/2025

Autre financement public

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Lille

104 Sciences de la Matière du Rayonnement et de l'Environnement

Candidat titulaire d'un Master 2 en physique théorique et/ou expérimentale, avec un cursus adapté au projet expérimental (physique quantique, physique de la matière condensée, lasers, optique, etc.). Une formation expérimentale, acquise à travers des stages de Master 2 dans des domaines en lien avec le contexte de la thèse, sera privilégiée.
Maser 2 or equivalent in theoretical and/or experimental physics, with a curriculum appropriate to the experimental project (quantum and/or condensed matter physics, lasers, optics, etc.). Experimental training, through Master 2 internships in fields related to the context of the thesis, will be privileged.