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POSTDOC :

Vers un laser aléatoire à atomes froids

Description du projet :
La propagation d'ondes en milieu opaque (diffusant) est une thématique qui intéresse de nombreux domaines de la recherche (imagerie médicale, acoustique, sismologie, physique stellaire, ...). Les expériences menées dans notre groupe à Nice utilisent un milieu original : un nuage d'atomes froids issu d'un piège magnéto-optique (MOT). Les propriétés très particulières de ce type de milieu diffusant (fortes résonances, structure interne des diffuseurs, effet mécanique de la lumière, ...) donnent naissance à une physique particulièrement riche. Parmi les divers effets de diffusion multiple qui sont étudiées dans notre groupe figurent la rétro-diffusion cohérente (un effet interférentiel), le piégeage de radiation et les instabilités dynamiques dans un MOT. Plus récemment, nous avons effectué des expériences de mélange à quatre ondes avec notre nuage d’atomes froids. Les résultats de ces expériences ouvrent la voie à la mesure du gain qu’on peut obtenir dans une configuration où le milieu d’atomes froids est ‘pompé’ par un faisceau intense. S’il est possible de maîtriser le gain (gain ‘Raman’, le gain ‘Mollow’ et gain par ‘résonances induites par le recul’) dans milieu avec une épaisseur optique grande, il semble intéressant d’étudier la possibilité de réaliser un laser aléatoire avec des atomes froids MOT. Une étape préliminaire à un tel laser aléatoire sera donc la compréhension quantitative des processus pompe-sonde dans un milieu d’atomes froids et les expériences de mélange à quatre ondes constituent ainsi une étape importante dans cette perspective. En parallèle à l’étude du gain qu’on peut obtenir dans notre expérience, nous essayerons de mettre en place des études des propriétés non classiques de la lumière, tel que l’existence d’états comprimés de la lumière issue d’un mélange à quatre ondes. Cette étude nous permettra de maîtriser la technologie et les concepts autour des fluctuations du champ lumineux, ce qui sera important pour caractériser un laser aléatoire et aussi la diffusion multiple en présence de gain. L'étude du bruit au niveau quantique dans un tel système permettra peut-être aussi d'établir un lien entre la physique mésoscopique et celle de l'information quantique. La thèse comprend plusieurs parties distinctes : une partie expérimentale et l'exploitation des données, une analyse théorique analytique et des simulations numériques. Il s'agira en particulier de caractériser et de comprendre le gain dans milieu d’atomes froids avec une épaisseur optique grande.

Mots clefs : atomes froids, gain, laser aléatoire, bruit quantique

Date de proposition : 20/10/2010

Description du projet :
Les propriétés des systèmes avec des interactions à grande portée ne sont dans une large mesure que compris partiellement, bien que présents dans de nombreux problèmes en physique : astrophysique, physique des plasmas, etc. Dans ce stage nous proposons d'aborder cette question en étudiant un système spécifique : des atomes froids piégés par laser. En effet la diffusion multiple de la lumière induit des forces d’interaction en 1/r^2, similaires aux forces d’interaction Coulombienne, mais avec une charge effective de l’ordre de 10000 fois plus faible que la charge élémentaire d’un électron. Pour certains paramètres de notre piège magnéto-optique d'atomes froids nous observons une oscillation régulière. La transition vers le régime instable est du type ‘bifurcation de Hopf supercritique’ et il serait intéressant de caractériser plus en détail cette transition (exposants critiques, oscillation forcées) expérimentalement et théoriquement. Par ailleurs une approche théorique du type hydrodynamique pourra donner des prédictions nouvelles sur les corrélations et les structures spatiales du nuage d’atomes induites par les interactions à grande portée. Ce travail est entamé à travers une collaboration avec un groupe au laboratoire de mathématiques de Nice. Plusieurs collaborations (nationales et internationales) sont en cours pour exploiter les analogies avec la physique des plasmas, avec par exemple comme objectif de mesurer la longueur de Debye dans un nuage d’atomes froids ou encore d’étudier des structures spatio-temporelles prédites pour ces systèmes (voir figure ci-dessus). La thèse comprendra plusieurs parties distinctes : une partie expérimentale et l'exploitation des données, une analyse théorique analytique et des simulations numériques. Il s'agira en particulier de caractériser et de comprendre la transition de phase entre le régime stable et instable. Ce projet donnera l’occasion de combiner des disciplines très variées de la physique: la physique atomique (atomes froids), la dynamique non linéaire (analyse analytique) et la physique statistique hors équilibre (effet d’interaction à grande portée).

Mots clefs : atomes froids, instabilités dynamique, interaction à grande portée, turbulence

Date de proposition : 20/10/2010

Description du projet :
La propagation d'ondes en milieu opaque (diffusant) est une thématique qui intéresse de nombreux domaines de la recherche (imagerie médicale, acoustique, sismologie, physique stellaire, ...). Dans de nombreux cas, la diffusion se fait avec un changement de fréquence (effet Doppler p.ex.) et il n'est alors plus toujours possible de définir un libre parcours moyen du photon. Dans des expériences menés avec des vapeurs chaudes de Rubidium, nous comptons mettre en évidence des loi de puissance pour la distribtion de longueur des chemins parcours par les photons. On pourra alors parler de vols de Levy pour les photons et s'approcher des modèles de diffusion de lumière dans des étoiles. Le stage comprend plusieurs parties distinctes : une partie expérimentale et l'exploitation des données, une analyse théorique analytique et des simulations numériques. Il s'agira en particulier de maîtriser parfaitement un montage simple et de réduire à un minimum la lumière parasite.

Mots clefs : atomes, diffusion de lumière, vols de Levy, loi de puissance

Date de proposition : 20/10/2010

Description du projet :
La propagation d'ondes en milieu opaque (diffusant) est une thématique qui intéresse de nombreux domaines de la recherche (imagerie médicale, acoustique, sismologie, physique stellaire, ...). Les expériences menées dans notre groupe à Nice utilisent un milieu original : un nuage d'atomes froids issu d'un piège magnéto-optique (MOT). Les propriétés très particulières de ce type de milieu diffusant (fortes résonances, structure interne des diffuseurs, effet mécanique de la lumière, ...) donnent naissance à une physique particulièrement riche. Parmi les divers effets de diffusion multiple qui sont étudiées dans notre groupe figurent la rétro-diffusion cohérente (un effet interférentiel), le piégeage de radiation et les instabilités dynamiques dans un MOT. Un des objectifs de notre groupe est l'observation de la localisation d'Anderson. Pour atteindre la transition vers la localisation d'Anderson avec des atomes froids, on sera amené à maîtriser un système où des effets de super- et subradiance seront important. Il convient par conséquent de comprendre les rôles respectifs des états de Dicke dans un régime de localisation d'Anderson. Cette thèse comprendra une étude théorique analytique et des simulations numériques. Il s'agira en particulier de comprendre le rôle des différents termes intervenant dans le couplage dipôle-dipôle entre les atomes avant de tenir compte d'autres effets tels que la vitesse des atomes ou de leur structure interne. La suite du travail comprend la réalisation expérimentale avec des atomes froids, nécessitant une bonne maîtrise des techniques de manipulation d’atomes par laser.

Mots clefs : atomes froids, optique quantique, Dicke, localisation de lumière

Date de proposition : 20/10/2010

Description du projet :
La propagation d'ondes en milieux non linéaires peut être décrite par des équations similaires à celle utilisées pour les collisions entre particules. Pour des bosons, une conséquence spectaculaire des collisions est la condensation des particules dans un état quantique occupé de façon macroscopique (condensation de Bose-Einstein). On prévoit un processus similaire dans le cas des photons (PRL 95, 263901, 2005). A ce stade, le milieu expérimental adéquat pour observer cette condensation n’a pas été trouvé. Nous nous proposons (en collaboration avec A. Picozzi) d’étudier la possibilité d’utiliser des vapeurs d’atomes (éventuellement refroidis pas laser) pour aborder cette thématique. Un premier code numérique est en place et il s’agit de voir dans quelle mesure des paramètres réalistes pourraient permettre d’approcher les conditions nécessaires pour la condensation de photons. Ce sujet est à haut risque, car il n’est pas évident a priori qu’une vapeur atomique peut remplir les conditions nécessaires pour observer la condensation de photons. Des liens fondamentaux entre dispersion et absorption existent, exprimés par exemple par les relations de Kramers-Kronig. Cependant la richesse des structures atomiques permet d’explorer un certain nombre de processus non linéaires qui pourraient amener à l’observation de la condensation de photons. Observer cette condensation avec des photons aura un impact très important sur la compréhension des phénomènes quantiques collectifs, notamment pour l’étude dynamique de ces processus. On pourra ensuite imaginer des prolongations des cette étude, permettant par exemple de réaliser des études complémentaires pour des systèmes quantiques dégénérées à 2 dimensions, à la basse de la supraconductivité haute température. Ce travail comprend plusieurs parties distinctes : une partie numérique sur un code existant et l’extension de ce code pour des transitions atomiques plus complexes. Suivant la duré du projet et les résultats des estimations numériques, une réalisation expérimentale sera tenté (soit avec des vapeurs chaudes, soit avec des atomes froids). Si les prévisions théoriques sont pessimistes, cette thèse sera orientée vers d’autres études optique quantique, telle que les liens entre la localisation d’Anderson et les états de Dicke. Des informations sur ces sujets sont disponibles sur http://www.kaiserlux.eu/coldatoms/.

Mots clefs : atomes froids, optique non linéaire, condensation de Bose-Einstein

Date de proposition : 20/10/2010