Disordered, ultracold quantum gases: Theoretical studies and experimental perspectives

Gaz quantiques ultrafroids désordonnés: Etudes théoriques et perspectives expérimentales

Laurent Sanchez-Palencia (1)

1 laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique / Optique atomique

Disorder plays a fundamental role in many fields of physics such as condensed-matter physics, optics, acoustics, or atomic physics. It is responsible for a number of surprizing effects, such as Anderson localization, metal-insulator transitions and intriguing glass phases. The inherent complexity of disordered systems poses outstanding challenges to the full understanding of these phenomena. In the last years, disorder has emerged as a major line of research in the field of ultracold quantum gases. The latter offer fascinating perspectives to better understand the effects of disorder in quantum systems, thanks not only to an unprecedented control of parameters, but also to their original properties. This Habilitation thesis reviews our recent contributions to the theory of disordered quantum gases along three main lines: - Anderson localization in disordered quantum gases; - Disorder in interacting Bose gases; - Simulating extended Hubbard and spin models with ultracold gases. On the one hand, we propose and analyze experiments aiming at realizing quantum simulators to address open questions of fundamental importance for the field of disordered systems. In this respect, we show that quantum gases offer promising perspectives. On the other hand, we lead prospective works, which in particular show that quantum gases have original properties. They hence shed new light on issues of broad interest in the field of disordered systems.

Le désordre joue un rôle fondamental dans de nombreux domaines de la physique, tels que la matière condensée, l'optique, l'acoustique ou la physique atomique. Il est responsable de nombre d'effets surprenants, tels que la localisation d'Anderson, certaines transitions métal-isolant et d'intriguantes phases vitreuses. La complexité inhérente aux systèmes désordonnés soulève des défis considérables à la pleine compréhension de ces phénômènes. Au cours des dernières années, le désordre s'est imposé comme un axe de recherche majeur dans le domaine des gaz quantiques ultrafroids. Ces derniers offrent de fascinantes perspectives pour mieux comprendre les effets du désordre dans les systèmes quantiques, grâce non seulement à un contrôle sans précédent de leurs paramètres mais aussi à leurs propriétés originales. Cette thèse d'Habilitation présente nos contributions récentes à la théorie des gaz quantiques désordonnés selon trois axes directeurs: - La localisation d'Anderson dans les gaz quantiques désordonnés; - Le désordre dans les gaz de Bose en interaction; - La simulation de modèles de Hubbard étendus et de modèles de spin avec des atomes ultrafroids. D'une part, nous proposons et analysons des expériences visant à réaliser des simulateurs quantiques afin d'étudier des questions ouvertes, d'importance fondamentale pour le domaine des systèmes désordonnés. A cet égard, nous montrons que les gaz quantiques offrent des perspectives prometteuses. D'autre part, nous réalisons des travaux amont qui mettent notamment en avant les propriétés originales des gaz quantiques. Ces derniers permettent ainsi de jeter un regard nouveau sur des problèmes d'intérêt général dans le domaine des systèmes désordonnés.

Mots clés: N-body localization; Bose glass; Bose-Einstein condensates; Fermi sea; ultracold quantum gases; disorder; Anderson localization

Mots clés: gaz quantiques ultrafroids; désordre; localisation d'Anderson; verre de Bose; localization à N corps; condensat de Bose-Einsteins; mer de Fermi

Domaines: Gaz Quantiques [cond-mat.quant-gas]

Laurent Sanchez-Palencia. Disordered, ultracold quantum gases: Theoretical studies and experimental perspectives. Quantum Gases [cond-mat.quant-gas]. Université Paris Sud - Paris XI, 2011. ⟨tel-00748036⟩