On trouve des manifestations de la physique quantique au niveau thermodynamique dansde nombreux systèmes. Un exemple marquant est la superfluidité, découverte au début du20ème siècle, que l’on retrouve de l’hélium aux étoiles à neutrons. Les gaz dilués ultrafroidsoffrent une polyvalence unique pour étudier des systèmes quantiquesmacroscopiques, pouvant directement tester les théories grâce à un environnementcontrôlé. Dans cette thèse, nous présentons plusieurs études expérimentales de gaz froidsde lithium. Le lithium fournit la possibilité de réaliser des ensembles de bosons et defermions, avec des interactions contrôlables entre les constituants. Nous présentons lestechniques utilisées pour préparer et étudier des gaz dégénérés de lithium, et uneamélioration possible des méthodes existantes. Nous décrivons premièrement une étudede la recombinaison à trois bosons avec une interaction à deux corps résonante. Comparésquantitativement à la théorie, ces résultats fournissent une référence pour les étudesfutures du gaz de Bose unitaire. Pour finir, nous présentons la première observationexpérimentale d’un mélange de superfluides de Bose et de Fermi. Nous démontrons queles deux composants sont superfluides et que leur écoulement relatif vérifie les propriétésdes écoulement superfluides, avec une absence de viscosité en dessous d’une vitessecritique puis la présence de dissipation au-delà. En utilisant des excitations collectives dece mélange, nous mesurons l’interaction entre les deux superfluides, en accord avec unmodèle théorique. / Manifestations of Quantum Physics at the thermodynamical level are found in a broadrange of physical systems. A famous example is superfluidity, discovered at the beginningof the 20th century and found in many different situations, from liquid helium to neutronstars. Dilute ultracold gases offer a unique versatility to engineer quantum many-bodysystems, which can be directly compared with theory thanks to the controllability of theirenvironment. In this thesis we present several experimental investigations led on ultracoldlithium gases. Lithium provides the possibility to study ensembles of bosons andfermions, with controllable interactions between the constituents. We present experimentaltechniques for preparation and studies of degenerate gases of lithium, with prospects forimprovement of the existing methods. We first report on an investigation of three-bodyrecombination of bosons under a resonant two-body interaction. This study, quantitativelycompared with theory constitutes a benchmark for further studies of the unitary Bose gas.Finally, we present the first experimental realization of a mixture of a Bose superfluid witha Fermi superfluid. We demon- strate that both components are in the superfluid regime,and that the counter-flow motion between them possesses the characteristics of superfluidflow, with the absence of viscosity below a critical velocity, and an onset of friction above.Using collective oscillations of the mixture, we measure the coupling between the twosuperfluids in close agreement with a theoretical model.

Dans cette thèse, nous avons répondu à certaines questions ouverts dans le domaine de la dynamique hors équilibre des systèmes quantiques unidimensionnels fermés. Durant ces dernières années, les avancées dans les techniques expérimentales ont revitalisé la recherche théorique en physique de la matière condensée et dans l'optique quantique. Nous avons traité trois sujets différents et en utilisant des techniques à la fois numériques et analytiques. Dans le cadre des techniques numériques, nous avons utilisé des méthodes de diagonalisation exacte, l'algorithme du groupe de renormalisation de la matrice densité en fonction du temps (t-DMRG) et l'algorithme de Lanczos. Au début, nous avons étudié la dynamique quantique adiabatique d'un système quantique près d'un point critique. Nous avons démontré que la présence d'un potentiel de confinement modifie fortement les propriétés d'échelle de la dynamique des observables en proximité du point critique quantique. La densité d'excitations moyenne et l'excès d'énergie, après le croisement du point critique, suivent une loi algébrique en fonction de la vitesse de la trempe avec un exposant qui dépend des propriétés spatio-temporelles du potentiel. Ensuite, nous avons étudié le comportement de bosons ultra-froids dans un réseau optique incliné. En commençant par l'hamiltonien de Bose-Hubbard, dans la limite de Hard-Core bosons, nous avons développé une théorie hydrodynamique qui reproduit exactement l'évolution temporelle d'une partie des observables du système. En particulier, nous avons observé qu'une partie de bosons reste piégée, et oscille avec une fréquence qui dépend de la pente du potentiel, au contraire, une autre partie est expulsée hors de la rampe. Nous avons également analysé la dynamique du modèle de Bose-Hubbard en utilisant l'algorithme t-DMRG et l'algorithme de Lanczos. De cette façon, nous avons mis en évidence le rôle de la non-intégrabilité du modèle dans son comportement dynamique. Enfin, nous avons abordé le problème de la thermalisation dans un système quantique étendu. À partir de considérations générales, nous avons introduit la notion de profil de température hors équilibre dans une chaîne des bosons à coeur dure. Nous avons analysé la dynamique du profil de temperature et, notamment, ses propriétés d'échelle / In this thesis we have addressed some open questions on the out-of-equilibrium dynamics of closed one-dimensional quantum systems. In recent years, advances in experimental techniques have revitalized the theoretical research in condensed matter physics and quantum optics. We have treated three different subjects using both numerical and analytical techniques. As far as the numerical techniques are concerned, we have used essentially exact diagonalization methods, the adaptive time-dependent density-matrix renormalization-group algorithm (t-DMRG) and the Lanczos algorithm. At first, we studied the adiabatic quantum dynamics of a quantum system close to a critical point. We have demonstrated that the presence of a confining potential strongly affects the scaling properties of the dynamical observables near the quantum critical point. The mean excitation density and the energy excess, after the crossing of the critical point, follow an algebraic law as a function of the sweeping rate with an exponent that depends on the space-time properties of the potential. After that, we have studied the behavior of ultra-cold bosons in a tilted optical lattice. Starting with the Bose-Hubbard Hamiltonian, in the limit of Hard-Core bosons, we have developed a hydrodynamic theory that exactly reproduces the temporal evolution of some of the observables of the system. In particular, it was observed that part of the boson density remains trapped, and oscillates with a frequency that depends on the slope of the potential, whereas the remaining packet part is expelled out of the ramp. We have also analyzed the dynamics of the Bose-Hubbard model using the tDMRG algorithm and the Lanczos algorithm. In this way we have highlighted the role of the non-integrability of the model on its dynamical behavior. Finally, we have addressed the issue of thermalization in an extended quantum system. Starting from quite general considerations, we have introduced the notion of out-of-equilibrium temperature profile in a chain of Hard-Core bosons. We have analyzed the dynamics of the temperature profile and especially its scaling properties

This thesis covers most of my work in the field of ultracold atoms loaded in optical lattices. This thesis can be divided into five different parts. In Chapter 1, after a brief introduction to the field of optical lattices I review the fundamental aspects pertaining to the physics of systems in periodic potentials and a short overview of the experiments on ultracold atoms in an optical lattice. In Chapter 2 we develop an inhomogeneous mean-field theory for the extended Bose-Hubbard model with a quadratic, confining potential. In the absence of this poten¬tial, our mean-field theory yields the phase diagram of the homogeneous extended Bose-Hubbard model. This phase diagram shows a superfluid (SF) phase and lobes of Mott-insulator(MI), density-wave(DW), and supersolid (SS) phases in the plane of the chemical potential and on-site repulsion ; we present phase diagrams for representative values of , the repulsive energy for bosons on nearest-neighbor sites. We demonstrate that, when the confining potential is present, superfluid and density-wave order parameters are nonuniform; in particular, we obtain, for a few representative values of parameters, spherical shells of SF, MI ,DW ,and SSphases. We explore the implications of our study for experiments on cold-atom dipolar con¬densates in optical lattices in a confining potential. In Chapter3 we present an extensive study of Mottinsulator( MI) and superfluid (SF) shells in Bose-Hubbard (BH) models for bosons in optical lattices with har¬monic traps. For this we develop an inhomogeneous mean-field theory. Our results for the BH model with one type of spinless bosons agrees quantitatively with quan¬tum Monte Carlo(QMC) simulations. Our approach is numerically less intensive than such simulations, so we are able to perform calculations on experimentally realistic, large three-dimensional(3D) systems, explore a wide range of parameter values, and make direct contact with a variety of experimental measurements. We also generalize our inhomogeneous mean-field theory to study BH models with har¬monic traps and(a) two species of bosons or(b) spin-1bosons. With two species of bosons we obtain rich phase diagrams with a variety of SF and MI phases and as¬sociated shells, when we include a quadratic confining potential. For the spin-1BH model we show, in a representative case, that the system can display alternating shells of polar SF and MI phases; and we make interesting predictions for experi¬ments in such systems. . In Chapter 4 we carry out an extensive study of the phase diagrams of the ex-tended Bose Hubbard model, with a mean filling of one boson per site, in one dimension by using the density matrix renormalization group and show that it contains Superfluid (SF), Mott-insulator (MI), density-wave (DW) and Haldane ¬insulator(HI) phases. We show that the critical exponents and central charge for the HI-DW,MI-HI and SF-MI transitions are consistent with those for models in the two-dimensional Ising, Gaussian, and Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) uni¬versality classes, respectively; and we suggest that the SF-HI transition may be more exotic than a simple BKT transition. We show explicitly that different bound¬ary conditions lead to different phase diagrams.. In Chapter 5 we obtain the excitation spectra of the following three generalized of Bose-Hubbard(BH) models:(1) a two-species generalization of the spinless BH model, (2) a single-species, spin-1 BH model, and (3) the extended Bose-Hubbard model (EBH) for spinless interacting bosons of one species. In all the phases of these models we show how to obtain excitation spectra by using the random phase approximation (RPA). We compare the results of our work with earlier studies of related models and discuss implications for experiments.

Pour la description des propriétés de basse température des systèmes en physique de la matière condensée, il est souvent utile de travailler avec un espace dynamique réduit. Cette philosophie s'applique aux systèmes bicouches à effet Hall quantique comme aux systèmes d'anyons et aux systèmes magnétiques frustrés qui représentent les exemples discutés dans cette thèse. <br /><br />On introduit une classe générale d'états appariés de fermions composites. Ces fonctions d'onde sont exploitées pour analyser l'état fondamental des systèmes bicouches à effet Hall au facteur de remplissage total un. A partir d'une étude de Monte Carlo variationnel nous concluons que la transition de phase compressible à incompressible observée dans ce système est du deuxième ordre. Nous étudions également la question de l'existence d'un état apparié à demi-remplissage dans les simples couches. Ensuite nous considérons des schémas de réduction dimensionnelle de systèmes bidimensionnels sur la sphère vers des systèmes unidimensionnels sur le cercle. Un tel mapping est établi pour des systèmes libres et un candidat pour un système d'anyons généralisé est proposé. Finalement, nous analysons les systèmes de spins magnétiques sur réseaux bidimensionnels et discutons si un état de glace de spins peut exister en présence d'interactions dipolaires à longue portée.

Le piégeage optique d'atomes sur réseaux optiques permet d'étudier leur comportement dans un régime de très basse température, de l'ordre du nanokelvin, sans geler le degré de liberté de leur moment cinétique. Ces méthodes récentes de piégeage offrent la possibilité d'analyser le magnétisme des phases quantiques spontanément adopté par les atomes. Dans cette thèse, nous étudions numériquement des bosons à deux états effectifs de spin, ou bosons de spin-1/2, ainsi que des bosons à trois états de spin, ou bosons de spin-1, avec deux méthodes conceptuellement différentes: une approche simplifiée en champ moyen et une méthode exacte, la méthode de Monte Carlo Quantique. Au delà de l'étude de ces deux systèmes, nous comparons une méthode en champ moyen, parfois abusivement employée, à la méthode de Monte Carlo Quantique. L'étude approfondie du système de bosons de spin-1/2 en une et deux dimensions dans la limite de température nulle montre l'influence de la dimension sur la physique de ce système. Les effets thermiques, non négligeables expérimentalement, sont aussi étudiés. Enfin, le système de bosons de spin-1 piégés sur un réseau bidimensionnel, système plus riche et plus complexe à étudier que le précédent, est étudié dans la limite de température nulle. L'étude de ces deux systèmes révèle différentes organisations magnétiques dans les phases isolantes de Mott ainsi que dans la phase superfluide, telles qu'un superfluide ferromagnétique. Des transitions de phases du premier ordre et des mouvements cohérents anticorrélés, présents dans les phases de Mott, sont aussi observés.

L'hypothèse d'une quatrième famille de fermions - les particules de matière décrites au sein du Modèle Standard (MS) de la physique des particules - est un des plus simples modèles de nouvelle physique encore non exclu et accessible au démarrage du Large Hadron Collider (LHC) - le plus puissant collisionneur hadronique au monde depuis 2009. Cette thèse s'intéresse à la production d'une paire de quarks t' se désintégrant chacun en un boson W et un quark b. La recherche se focalise sur le domaine des très hautes masses, où la production peut être distinguée de la production de bruit de fond d'une paire de quark top en exploitant la cinématique des produits de désintégration des collisions proton-proton produites au centre du détecteur ATLAS. Nous présentons une stratégie originale exploitant en particulier la collimation des produits de la désintégration des bosons W de très grande impulsion transverse, permettant leur reconstruction explicite. L'analyse s'appuie sur un travail de mise en oeuvre des algorithmes d'identification des jets résultants de la fragmentation des quarks de saveur b. Ces algorithmes se basent sur la reconstruction très précise de la trajectoire des particules chargées, des vertex d'interactions primaires et des vertex de désintégrations secondaires présents au sein des jets. L'étiquetage-b permet à l'expérience ATLAS d'améliorer la (re)découverte du MS, ainsi que la sensibilité à la nouvelle physique. Il sera ainsi d'une grande importance pour les futures années d'opération du LHC, raison pour laquelle nous présentons une étude de prospective de ses performances attendues avec l'extension du détecteur à pixels d'ATLAS - détecteur clé de l'étiquetage-b - dénommée IBL et actuellement en construction. Notre recherche de quark t' quant à elle a permis d'établir une limite inférieure à la masse du quark t' de 656 GeV à partir des 4.7 fb^−1 de données 7 TeV collectées en 2011, ce qui est la meilleure limite à ce jour en recherche directe, avec également une interprétation dans le cadre du modèle de quarks dits 'vecteurs'.

An evaluation of how sensitive some ATLAS searches for new physics are to a new beyond standard model (BSM) vector-like quark (VLQ) and a pseudo Nambu-Goldstone boson (pNGB) scalar. This was done by simulating a signal containing these new particles and making a recast of it onto existing verified ATLAS searches for new physics at center-of-mass (CM) energy of 13 TeV (Run 2) at the Large Hadron Collider (LHC). Signals for recasting were tailored such that their final states would be appropriate in relation to each respective ATLAS search in order to use the same selection criteria as applied in the existing searches. The results are summarized in the form of significances (Z) for each masspoint of the new top-partner and S particle. Significances did not show any expectiation of excluding any masspoint in the examined mass range for the recasts at 95% CL. This suggests that a dedicated search for these particles in the considered masspoints would be required.