This thesis describes the design, construction and optimisation of two compact setups to produce ⁸⁷Rb Bose-Einstein condensates and dual ⁷Li-⁸⁷Rb Magneto- Optical Traps (MOTs). The motivation for compact systems is to have simplified systems to cool the atoms. The first experimental setup is based on a single pyrex glass cell without the need for atom chips. Fast evaporation will be achieved in a hybrid trap comprising of a magnetic quadrupole trap and an optical dipole trap created by a Nd:YVO4 laser and with future plans of using a Spatial Light Modulator (SLM). To enhance an efficient and rapid evaporation, we have investigated Light-Induced Atomic Desorption (LIAD) to modulate the Rb partial pressure during the cooling and trapping stage. With this technique, a ⁸⁷Rb MOT of 7 x 10⁷ atoms was loaded by shining violet light from a LED source into the glass cell, whose walls are coated with rubidium atoms. The atoms were then cooled by optical molasses and then loaded into a magnetic trap where lifetime measurements demonstrated that LIAD improves on magnetically-trapped atoms loaded from constant background pressure by a factor of six. This is quite encouraging and opens the possibility to do a rapid evaporation. In a second experiment, we have designed a compact system based on a stainless steel chamber to trap either ⁷Li or ⁶Li atoms in a MOT loaded from alkali-metal dispensers without the need of conventional oven-Zeeman slower. This setup can also load ⁸⁷Rb atoms, allowing future projects to simultaneously produce degenerate quantum gases of bosonic ⁸⁷Rb and fermionic ⁶Li atoms.

Notre activité de recherche, commencée en 1988, comporte deux périodes. La première, jusqu'en 1995, fut consacrée à la théorie du refroidissement d'atomes par laser : nous avons effectué une étude entièrement quantique du refroidissement à gradient de polarisation, et grâce à la méthode des fonctions d'onde Monte-Carlo, reformulation stochastique de l'équation pilote que nous avons contribué à développer, nous avons pu reproduire les résultats expérimentaux à trois dimensions. La deuxième période, commencée en 1995, est consacrée à la théorie des gaz quantiques, en particulier des condensats de Bose-Einstein : nous avons clarifié le concept de phase d'un champ atomique et prédit une dynamique quantique non triviale de cette phase; nous avons trouvé des solutions par changement d'échelle décrivant l'évolution d'un gaz quantique dans un potentiel harmonique dépendant du temps; nous avons découvert le mécanisme de formation des réseaux de tourbillons quantiques à l'oeuvre dans les expériences du groupe de Jean Dalibard; nous avons étudié quelques propriétés classiques et quantiques des solitons d'ondes de matière et nous avons proposé une méthode ayant permis la première observation expérimentales de ces solitons; nous avons développé de nouveaux outils pour la théorie des gaz quantiques, comme des méthodes de champ classique, de Monte-Carlo quantique et une extension de la méthode de Bogoliubov aux quasi-condensats en dimensionalité réduite.

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We directly model the quantum many particle dynamics during the transition of a gas of N indistinguishable bosons into a Bose-Einstein condensate. To this end, we develop a quantitative quantum master equation theory, which takes into account two body interaction processes, and in particular describes the particle number fluctuations characteristic for the Bose-Einstein phase transition. Within the Markovian dynamics assumption, we analytically prove and numerically verify the Boltzmann ergodicity conjecture for a dilute, weakly interacting Bose-Einstein condensate. The new physical bottom line of our theory is the direct microscopic monitoring of the Bose-Einstein distribution during condensate formation in real-time, after a sudden quench of the non-condensate atomic density above the critical density for Bose-Einstein condensation.

Ce document décrit l'ensemble des travaux scientifiques effectués entre 1995 et 2004 aux États-Unis puis en France. L'ensemble de ces travaux s'articule autour du thème central de l'optique et de l'interférométrie atomique, un domaine de la physique atomique qui a connu deux tournants spectaculaires qui ont été majeurs pour cette thématique : l'aboutissement des techniques sophistiquées de refroidissement des atomes par laser permettant une "collimation" des faisceaux atomiques et la réalisation en 1995 du premier condensat de Bose-Einstein d'alcalins, précurseur du laser à atomes, source cohérente à haute luminance. Tous ces travaux ont nécessité l'élaboration de nombreux dispositifs expérimentaux. Ils ont d'une part abouti à la réalisation de trois senseurs inertiels atomiques de haute performance : un gyromètre à jet atomique collimaté, un gradiomètre à atomes froids, une base inertielle à atomes refroidis par laser. D'autre part, ils ont permis de développer deux sources atomiques cohérentes d'un modèle nouveau sur lesquelles un grand nombre de résultats sur la nature profonde des condensats de Bose-Einstein ont pu être obtenus. Ce manuscrit est organisé en 5 chapitres permettant d'aborder progressivement la problématique des senseurs inertiels atomiques (essentiellement à source refroidie non cohérente), les propriétés fondamentales de la condensation de Bose-Einstein, la production de laser à atomes, les propriétés de cohérence des sources atomiques dégénérées et enfin les perspectives qu'ouvrent les lasers à atomes pour l'interférométrie atomique.

Le travail de thèse exposé dans ce manuscrit porte sur le gaz de Bose bidimensionnel. La première partie présente l'observation de la transition de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless dans un gaz de rubidium 87 ultra-froid, confiné dans un piège mixte magnétique et optique. La localisation précise du point critique et la confrontation des données expérimentales à un modèle théorique permettent de clarifier le rôle de l'excitation résiduelle du mouvement axial et l'influence du potentiel de confinement transverse. La deuxième partie décrit le nouveau montage expérimental, sur lequel les prochaines expériences auront lieu. Les premières observations réalisées sur celui-ci concernent l'expansion libre à deux dimensions d'un gaz de rubidium 87 bidimensionnel. Cette expansion se caractérise par une invariance d'échelle, qui révèle la nature des interactions entre atomes. La troisième partie illustre l'utilisation de potentiels géométriques dans un gaz neutre ultra-froid afin de simuler l'action d'un champ magnétique sur des particules chargées. Ces potentiels, associés à la notion de phase de Berry, peuvent être générés par couplage des atomes à un champ laser. Une proposition de réalisation expérimentale devant conduire à la nucléation de vortex est détaillée.

The increasing demand for the domestic refrigeration system urges the development of greener form of refrigeration. The eighty-year-old single pressure absorption refrigeration system invented by Albert Einstein and Leo Szilard is attractive as it has no mechanical moving parts and can be driven by heat alone. However, the literature on either the refrigeration system or its components is scarce. The bubble pump is the crucial component of the refrigeration system, but it is poorly understood as its mass flow rate cannot be readily predicted. Two new time correlations in the mass flow rate prediction are presented to increase the accuracy when heat losses occur in the bubble pump. These time correlations are verified with the experimental results. When either the heat input or submergence ratio increases, the accuracy of the prediction increases. The percentage of error for the high heat input or submergence ratio is within ±10%. Working conditions and system dimension have a direct influence to the bubble pump performance. For instance, the bubble pump experimental results show that the mass flow rate of the bubble pump increases when either the submergence ratio or the concentration of ammonia increases. However, the performance of the bubble pump drops when the tube diameter or the system pressure increases. The Einstein refrigeration system has only been rebuilt once since it invention. In order to redesign and rebuilt a practical Einstein refrigeration system, some challenges are revealed. With the combination of the good features of the designs of Einstein and Delano, a new prototype has been rebuilt and tested. The practical results obtained from the five experimental setups are the first set of experimental result that has ever been presented. The highest cooling capacity and coefficient of performance (COP) obtained are 5 W and 0.04 respectively.

Marginally outer-trapped surfaces (MOTSs) are found for a family of space-like hypersurfaces described by the Brill-Lindquist initial data. These hypersurfaces contain a singular ring characterized by its radius, mass and charge. Due to the ring character of the singularity, these surfaces are natural candidates for MOTSs with toroidal topology. By adjusting and employing the numerical method of geodesics, we indeed localize MOTSs of both spherical and toroidal topology, and compare the results with those obtained previously by Jaramillo & Lousto.

Orientador: Prof. Dr. Valter Alnis Bezerra / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ensino, História, Filosofia das Ciências e Matemática, 2014.

Le phénomène de précession cohérente de l'aimantation dans l'hélium 3 superfluide a été découvert en 1984. Il se caractérise par la précession libre de l'aimantation du superfluide sur des échelles de temps très longues (dans certains cas, des heures). Ce phénomène est une signature de la superfluidité de spin, l'analogue magnétique de la supraconductivité ou de la superfluidité. La superfluidité de spin peut se décrire en termes de condensation de Bose-Einstein des excitations magnétiques du superfluide : les magnons. Ce formalisme permet de déterminer simplement les conditions dans lesquelles une telle condensation peut apparaître dans les différentes phases de l'hélium 3 superfluide. Ce travail présente comment l'utilisation d'aérogel anisotrope nous a permis de manipuler le paramètre d'ordre du superfluide et d'obtenir ainsi de nouvelles phases dans lesquelles la condensation de Bose-Einstein des magnons peut être observée. Nous avons ainsi étudié expérimentalement la précession cohérente de l'aimantation dans ces nouvelles phases. Nous avons également étudié l'influence de l'aérogel sur la transition de phase superfluide. Enfin, nous détaillons comment il est possible d'obtenir la précession cohérente de l'aimantation sur les différents niveaux d'un puits de potentiel pour les magnons. / The phenomenon of coherent precession of magnetization in superfluid helium 3 was discovered in 1984. It is characterized by the free precession of the magnetization of the superfluid on very long timescales (up to hours). This phenomenon is a signature of spin superfluidity, the magnetic analogue of superconductivity or superfluidity. Spin superfluidity can be described in terms of Bose-Einstein condensation the magnetic excitations of the superfluid: the magnons. This formalism makes it possible to determine easily the conditions in which such a condensation can appear in the different phases of superfluid helium 3. This work shows how the use of anisotropic aerogel permitted us to manipulate the order parameter of the superfluid and thus to obtain new phases in which the Bose-Einstein condensation of magnons can be observed. We were able to study experimentally the coherent precession of magnetization in these new phases. We also studied the influence of the aerogel on the superfluid transition. Finally, we detail how one can obtain the coherent precession of magnetization on different levels of a potential well for magnons.