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4.4 Production d’un gaz quasi-2D

4.4.2 Transition BKT ?

Pour savoir si la transition BKT a eu lieu, on peut calculer la valeur critique de la

densit´e dans l’espace de phases et du potentiel chimique d’apr`es les ´equations (1.30) et

(1.31). Prenons comme exemple le gaz quasi-2D dans les conditions exp´erimentales de

la figure4.10. Pour une fr´equence verticaleω

z

= 2π×2,4 kHz, la constante d’interaction

adimensionn´ee vaut ˜g = 0,12. La densit´e dans l’espace de phases et le potentiel chimique

critiques sont alors :

D

c

= 8,05 et µ

c

k

B

T = 0,18. (4.23)

Pour 10

4

atomes `a 126 nK confin´es `a une fr´equence radiale de ω

r

= 2π×24,6 Hz, nous

avons :

D

0

= 9,56 et µ

2D

k

B

T = 0,18. (4.24)

Le potentiel chimique aussi bien que la densit´e dans l’espace de phases au centre du

pi`ege semblent avoir atteint (ou mˆeme d´epass´e) le seuil de la transition BKT. Nous

esp´erons donc avoir une fraction superfluide dans le gaz. Toutefois on remarque que

cette analyse requiert une imagerie correcte du profil atomique pour bien extraire le

nombre d’atomes et la temp´erature du nuage. Pour le moment, nous sommes persuad´es

de sous estimer la densit´e atomique au centre. Une am´elioration de notre imagerie

Chapitre

5

Modes collectifs dans un gaz 2D

Ce chapitre est consacr´e `a l’´etude des excitations collectives dans un gaz quantique

en dimension deux. Je ferai d’abord une br`eve introduction aux modes collectifs les

plus couramment ´etudi´es, suivi par un r´esum´e des r´esultats th´eoriques pertinents dans

l’interpr´etation de notre exp´erience. Les cas d’un gaz classique et d’un gaz quantique

d´eg´en´er´e sont trait´es. La derni`ere section de ce chapitre expose les r´esultats

exp´erimen-taux obtenus, qui sont compar´es aux pr´edictions th´eoriques. Les modes monopolaire,

quadrupolaire et ciseau ont ´et´e observ´es, et les fr´equences propres mesur´ees permettent

de tirer des conclusions concernant la dimensionnalit´e et la nature du gaz.

5.1 Introduction

Les excitations collectives sont une des sources principales pour la compr´ehension

de la physique des syst`emes `a N corps, en constituant un excellent outil pour sonder

l’effet des interactions dans un gaz quantique [78], comme la superfluidit´e [70], mesurer

l’´equation d’´etat [136] ou les interactions dipolaires [137]. Des pr´edictions th´eoriques

pour les excitations de basse ´energie existent pour un gaz classique [69, 138, 139], un

condensat avec interaction faible [140, 141, 142, 143, 69, 144, 145, 81], ainsi que pour

la d´ependance de ces modes avec les interactions [146], la temp´erature [147,148] et des

corrections `a la th´eorie de champ moyen [149,86], la liste n’´etant pas exhaustive. Les gaz

de Fermi ont aussi ´et´e largement ´etudi´es [150, 151, 152, 153, 154, 155]. Les premi`eres

observations d’excitations collectives dans un condensat ont ´et´e rapport´ees en 1996

par les groupes de E. A. Cornell [66] et W. Ketterle [67]. Ils ont observ´e deux modes

d’oscillation de taille dans un pi`ege en forme de disque et de cigare, respectivement.

Les fr´equences mesur´ees sont en bon accord avec les pr´edictions dans le cadre de la

th´eorie de champ moyen. De nombreux autres travaux exp´erimentaux portant sur les

modes collectifs dans un condensat en dimension trois ont ´et´e publi´es [156,70,71,157,

158, 145, 159], mais `a notre connaissance aucune exp´erience avec des bosons dans le

r´egime quasi-2D n’a ´et´e effectu´ee avant cette th`ese.

de masse `a la fr´equence du pi`ege, ind´ependamment des interactions entre les

parti-cules du gaz, et pour cela il est tr`es utile dans la d´etermination pr´ecise des fr´equences

de pi´egeage. D’autres modes collectifs qui d´ependent de la nature des particules, de

l’´equation d’´etat et de la dimensionnalit´e du syst`eme existent. Ils sont s´epar´es en deux

groupes : les modes de compression et les modes de surface, ces derniers ne changeant

pas le volume du gaz.

Dans notre exp´erience, nous nous int´eressons `a sonder le caract`ere superfluide d’un

gaz quasi-2D en observant les excitations collectives. Mis `a part le dipˆole, nous avons

´etudi´e trois modes `a basse ´energie : le monopole, le quadrupole et le mode ciseau. Ils

sont classifi´es par des nombres quantiques appropri´es selon la sym´etrie du syst`eme.

Le monopole de plus basse ´energie est un mode de compression utilis´e pour v´erifier la

nature 2D de notre syst`eme. Il se pr´esente comme une oscillation en phase de la taille

du nuage selon les deux directions de l’espace, et est appel´e usuellement le «mode de

respiration». Le quadrupole et le mode ciseau sont des modes de surface et tous les

deux peuvent servir de sonde de superfluidit´e. Le quadrupole constitue une oscillation

des rayons du nuage en opposition de phase selon les deux directions, et le mode

ciseau constitue une oscillation angulaire de l’axe du nuage anisotrope. Ces trois modes

collectifs sont illustr´es dans la figure 5.1.

Monopole Quadrupole Ciseaux

Figure 5.1 – Sch´ema des excitations collectives ´etudi´ees dans notre

exp´e-rience : monopole, quadrupole et mode ciseau. Le monopole constitue une

oscillation en phase du rayon du nuage, le quadrupole est une oscillation en

opposition de phase tandis que le mode ciseau est une oscillation angulaire de

l’axe du gaz dans un pi`ege anisotrope.

Diagram of the collective excitations studied in our experiment : monopole,

quadru-pole and scissors mode. The monoquadru-pole mode corresponds to in phase oscillations of

the cloud radii, the quadrupole corresponds to out of phase oscillations and the

scis-sors mode is an angular oscillation of the gas axis in an anisotropic trap.

Je pr´esente dans la suite les pr´edictions th´eoriques pour les fr´equences de ces modes

dans un pi`ege harmonique tr`es ´ecras´e dans une direction de l’espace, comme notre pi`ege

quadrupolaire habill´e. Je consid`ere les cas d’un gaz classique, d´ecrit par l’´equation de

Boltzmann, et d’un gaz quantique d´ecrit par l’´equation de Gross-Pitaevskii.

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