Cette thèse présente une étude théorique des propriétés de transport d'un condensat unidimensionnel en présence de désordre. La cohérence de phase, le désordre et les interactions induisent une compétition entre le caractère superfluide d'un condensat et la suppression du transport par effets d'interférences destructives. En premier lieu, nous avons étudié une configuration expérimentalement pertinente, à savoir les oscillations dipolaires d'un condensat en présence d'impuretés. L'amortissement de celles-ci s'avère n'avoir aucune relation avec la localisation d'Anderson et s'explique en terme d'émission d'excitations élémentaires. Des comparaisons avec des experiences récentes appuient ce scénario général. Ensuite, nous avons étudié la vitesse critique d'un superfluide en présence d'un potentiel désordonné. Un lien explicite avec des problèmes de statistiques de valeurs extrèmes est donné, permettant ainsi de déterminer la distribution de probabilité de la vitesse critique, en accord quantitatif avec des simulations numériques. Nous avons montré d'autre part que la localisation d'Anderson n'est possible que dans un certain régime de paramètres. La longueur de localisation y est affectée par les interactions et les corrélations du potentiel aléatoire. Enfin, nous avons étudié la localisation par un potentiel bichromatique et expliqué celle-ci de manière semi-classique. Nous a vons ainsi montré la différence profonde entre cette dernière et celle induite par un potentiel purement aléatoire.

Les propriétés physiques d'un système homogène à l'équilibre thermodynamique sont fortement contraintes par sa dimensionnalité. Le gaz de Bose à deux dimensions est un système particulier de ce point de vue : bien que l'établissement d'un ordre à longue portée soit impossible à température non-nulle, il existe néanmoins une transition de phase vers un état superfluide à basse température. De plus, la dimensionalité réduite du système rend son équation d'état invariante par changement d'échalle pour de faibles interactions atomiques répulsives. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons une étude expérimentale du gaz de Bose à deux dimensions. Nous mesurons son équation d'état de deux methodes différentes, et trouvons un résultat en bon accord avec les prédictions analytiques et numériques. Ces résultats ont également permis de confirmer l'invariance d'échelle du système. De plus, l'une des méthodes ne nécessite qu'un seul paramètre ajustable pour la mesure de l'équation d'état. Nous présentons ensuite une mesure locale du caractère superfluide du gaz. À cet effet, nous avons mis en évidence l'absence de dissipation lors de la perturbation du système par un obstacle en mouvement. Enfin, nous effectuons une analyse des fluctuations du gaz de Bose 2D, qui a permis de confirmer la suppression des fluctuations de densité dans la phase superfluide, ainsi que le rôle dominant joué par les phonons dans les fluctuations de phase.

Cette thèse tente d'effectuer une approche de physique statistique (à l'équilibre et hors équilibre) d'un écoulement pleinement turbulent de von Kármán produit par la contra-rotation de deux turbines dans un cylindre rempli de fluide. Dans une première partie, les résultats expérimentaux obtenus en commande en vitesse sont complétés par des observations par PIV, puis étudiés dans le cadre de la mécanique statistique : la divergence de susceptibilité qui est notamment observée est étudiée à la manière d'un modèle d'Ising-Champ moyen, dans lequel les corrélations spatiales de l'écoulement et le théorème fluctuation-dissipation sont examinés. En second lieu, les résultats de commande en couple sont complétés : l'existence de réponses différentielles négatives dans l'écoulement autorise une analogie avec certains dipôles électriques et fluides complexes. Nous interprétons ces résultats comme une forme d'inéquivalence d'ensemble, typique des systèmes possédant des interactions à longue portée. Les temps d'échappement des régimes multi-stables sont également étudiés comme un simple problème de puits de potentiel de Kramers, révélant une dynamique globale à petit nombre de degrés de liberté. Finalement, des résultats préliminaires de l'expérience SHREK effectuées dans l'hélium à très basse température sont présentés. Les couples mécaniques exercés sur les turbines sont similaires dans le cas du fluide normal et du superfluide. Les nombres de Reynolds accessibles dans l'expérience permettent en outre une étude plus complète du cycle d'hystérésis en fonction du nombre de Reynolds.

Le gyrolaser est un capteur de rotation utilisé dans la plupart des centrales de navigation inertielle. Dans sa forme usuelle, il est constitué d'une cavité laser en anneau remplie d'un mélange d'hélium et de néon pompé par des électrodes à haute tension. L'utilisation d'un milieu amplificateur gazeux, si elle permet de garantir naturellement le fonctionnement bidirectionnel stable nécessaire à la mesure des rotations, constitue en revanche la principale limitation industrielle des gyrolasers actuels en termes de coût, fiabilité et durée de vie. On étudie dans ce mémoire la possibilité de substituer au milieu à gain gazeux un milieu solide (Nd-YAG pompé diode). On présente pour cela une étude théorique et expérimentale des différents régimes de fonctionnement du laser en anneau à état solide. On montre que la stabilité du régime bidirectionnel peut être garantie par une boucle de contre-réaction agissant sur les états de polarisation pour créer des pertes différentielles proportionnelles à la différence d'intensité entre les modes contrarotatifs. Cette technique permet l'obtention d'un gyrolaser à état solide, dont la réponse en fréquence est perturbée par les couplages entre modes. Plusieurs solutions, optiques et mécaniques, destinées à améliorer la qualité de cette réponse en fréquence sont successivement étudiées. On se pose enfin la question d'un possible équivalent atomique du gyrolaser, en soulignant les analogies qui existent entre la physique du gyrolaser à état solide et celle de certains dispositifs à onde de matière. Un modèle original de description unidimensionnelle d'un condensat de Bose-Einstein dans un piège torique en rotation dans le cas d'un fort confinement transverse est présenté. Quelques applications possibles de ce modèle théorique sont finalement discutées. Ces travaux ont donné lieu au dépôt de 9 brevets en France et à l'étranger, ainsi qu'à plusieurs publications scientifiques, dont une dans la revue Physical Review Letters. Ils ont également débouché sur la réalisation d'un prototype industriel de gyrolaser à état solide, actuellement en cours d'étude et de caractérisation par la division Thales Aerospace. Enfin, ils ont été couronnés par le Prix de Thèse de l'École Polytechnique 2007 et par le Prix de l'Innovation Technologique Air et Espace 2007.

L’étude des vortex trouve sa justification dans le rôle que ces derniers jouent dans la turbulence quantique. L’équation de Gross-Pitaevskii ne peut pas nous permettre de modéliser convenablement l’Hélium superfluide, mais on peut l’utiliser pour obtenir le paramètre d'ordre d’un superfluide modèle, ayant le maximum de propriétés en commun avec l’Hélium, notamment une courbe de dispersion identique, par la modification du terme d’interactions.En supposant que le minimum roton influence l’essentiel de la physique, on détermine la forme du paramètre d’ordre loin de la perturbation créée par le vortex rectilinéaire axisymétrique par deux approches différentes - il apparaît alors que seuls deux paramètres sont nécessaires pour caractériser entièrement le profil.Le modèle proposé par Pomeau-Rica, qui offre la possibilité d’étudier le superfluide près de la cristallisation, met en lumière l’impact de la profondeur du minimum roton sur l’amplitude des oscillations. Par comparaison avec les résultats obtenus ab initio par Reatto, les résultats donnés par le modèle de Berloff-Roberts exhibent un déphasage marqué, qui semble être une conséquence non-physique de la forme du spectre d’excitation. Les calculs énergétiques laissent à penser que les oscillations portent une faible fraction de l’énergie du vortex, l'énergie cinétique dominant.Le calcul du paramètre d’ordre est effectué pour un anneau de grande taille par rapport à la distance interatomique, à vitesse nulle et à vitesse non-nulle. La détermination des énergies potentielle et cinétique permet d’accéder à la vitesse maximale atteinte par l’anneau en fonction de son rayon et de la comparer à la vitesse critique de Landau. / Vortices study's justification lays in the fact that those former play an important part in quantum turbulence. The Gross-Pitaevskii equation can't be a proper model for superfluid helium, but we can still use it to determine the order parameter of a theoretical superfluid, which has then the maximum amount of properties in common with liquid helium, and in particular, the same dispersion relation, thus gained by modifying the interaction terms.We then make the assumption that all the physical properties of the superfluid are triggered by the existence of the roton minimum, which allows us to calculate the order parameter far from the perturbation created by an axisymmetric rectilinear vortex, using two different methods. At that point, it appears that only two parameters are needed to fully characterize vortex profil.Pomeau-Rica's model offers the possibility to study the superfluid near crystallization and reveals the influence of the roton minimum's shape and depth on oscillations' amplitude. Results are subsequently compared to those given by Reatto's ab initio calculations. In Berloff-Roberts' model, profil displays a strong phase shift, which seems to be a non-physical consequence of the dispersion relation's shape at high frequencies. Energies reckoning leads us to think that oscillations carry a small fraction of the total vortex' energy, meaning that the kinetic energy is dominant.The order parameter for a vortex ring, whose radius is much larger than the interatomic distance, is calculated at zero and nonzero speed. Potential and kinetic energies are estimated and help us obtain the maximal speed reached by such a ring, depending on its radius and finally discussed this speed in regard to the Landau critical speed.

La dimensionnalité d’un système affecte fortement ses propriétés physiques ; les transitions de phasequi s’y déroulent ainsi que le type d’ordre qui y apparaît dépendent de la dimension. Dans les systèmesde basse dimension, la cohérence s’avère plus difficile à établir car les fluctuations thermiques etquantiques y jouent un rôle plus important. Le fluide de Bose à deux dimensions est particulièrementintéressant car, même si un ordre total est exclu, un ordre résiduel à « quasi-longue » portée s’établit àbasse température. Deux ingrédients ont un effet significatif sur l’état du système : (i) la taille finie d’unsystème réel permet de retrouver une occupation macroscopique d’un état à une particule ; (ii) les interactionsentre particules conduisent à l’apparition d’un type non-conventionnel de transition de phasevers un état superfluide.Dans cette thèse, nous présentons une étude expérimentale du gaz de Bose bidimensionnel (2D) utilisantdeux types de paysages énergétiques pour piéger nos atomes. Dans la première partie, nous utilisonsla dépendance spatiale de certaines propriétés locales d’un gaz inhomogène pour caractériser l’étatdu système homogène équivalent. Nous extrayons son équation d’état des profils de densité et noustestons son comportement superfluide en mesurant le chauffage induit par le mouvement d’une perturbationlocale. Dans la deuxième partie, nous observons et caractérisons l’émergence d’une cohérencede phase étendue dans un gaz 2D homogène, en particulier via le passage de trois dimensions à deux(croisement dimensionnel). Nous étudions l’établissement dynamique de la cohérence par un passagerapide du croisement dimensionnel et nous observons des défauts topologiques dans l’état superfluidefinal. Nous comparons nos résultats avec les prédictions du mécanisme de Kibble–Zurek. / The dimensionality of a system strongly affects its physical properties; the phase transitions that takeplace and the type of order that arises depend on the dimension. In low dimensional systems phasecoherence proves more difficult to achieve as both thermal and quantum fluctuations play a strongerrole. The two-dimensional Bose fluid is of particular interest as even if full order is precluded, a residual"quasi-long" range order arises at low temperatures. Then two ingredients have a significant effecton the state of the system: (i) the finite size of a real system enables one to recover of a macroscopicoccupation of a single-particle state; (ii) the interactions between particles lead to the emergence of anon-conventional type of phase transition toward a superfluid state.In this thesis, we present an experimental study of the two-dimensional (2D) Bose gas using two differentenergy landscapes to trap our atoms. In the first part, we use the spatial dependence of somelocal properties of an inhomogeneous gas to characterize the state of the equivalent homogeneous system.We extract its equation of state with a high accuracy from the gas density profiles and test itssuperfluid behavior by measuring the heating induced by a moving local perturbation. In the secondpart, we observe and characterize the emergence of an extended phase coherence in a 2D homogeneousgas in particular via a 3D-to-2D dimensional crossover. We investigate the dynamical establishment ofthe coherence via a rapid crossing of the dimensional crossover and observe topological defects in thefinal superfluid state. We compare our findings with the predictions for the Kibble–Zurek mechanism.

Cette thèse porte sur l'étude des gaz tridimensionnels de bosons de spin 1 avec interaction ferromagnétique. Nous montrons que la transition superfluide à température finie peut être étudiée par une théorie des champs classique de symétrie O(3)*O(2). Ce type de modèle est utilisé pour décrire le magnétisme frustré dans de nombreux matériaux, en particulier les antiferroaimants sur réseau triangulaire. La nature de la transition de phase dans le modèle O(3)*O(2) (premier ou second ordre) fait l'objet d'une controverse d'ordre à la fois expérimental, numérique et théorique. Notre approche théorique est basée sur le groupe de renormalisation non-perturbatif et prédit une transition faiblement du premier ordre avec un comportement "pseudo-critique". Nous relions ce dernier au comportement critique observé dans le modèle O(N)*O(2) lorsque N est supérieur ou égal à 5.3. Dans les gaz de bosons de spin 1 (87Rb, 41K et 7Li), la longueur de corrélation à la transition est grande devant la taille typique des gaz dans les expériences actuelles. Néanmoins les comportements en loi de puissance observés près de la transition permettent de définir des exposants "pseudo-critiques" non-universels. La valeur de ces exposants varie d'un gaz à l'autre. Nous discutons dans quelle mesure la détermination expérimentale de ces exposants permettrait d'apporter des éléments concrets en faveur d'une transition du premier ordre dans le modèle O(3)*O(2). / We study tridimensional spin-1 Bose gases with ferromagnetic interaction. The superfluid transition at finite temperature can be studied by a classical field theory with O(3)*O(2) symmetry. This kind of model has been used to describe frustrated magnetism in several materials, in particular antiferromagnets on a triangular lattice. The nature of the phase transition in the O(3)*O(2) model (first or second-order) has been the subject of experimental, numerical and theoretical controversy. Our theoretical approach is based on the nonperturbative renormalization group and predicts a weakly first-order transition with "pseudo-critical'' behavior. We relate the latter to the critical behavior observed in the O(N)*O(2) model when N is greater than or equal to 5.3. In spin-1 Bose gases (87Rb, 41K and 7Li), the correlation length at the transition is larger than the typical size of the system in current experiments. However the power-law behavior observed near the transition allows one to define nonuniversal "pseudo-critical" exponents. The value of these exponents varies from one gas to the other. We discuss to what extent the experimental determination of these exponents could support the claim of a first order transition in the O(3)*O(2) model.

Ces travaux sont consacrés à l'étude d'un gaz d'excitons bidimensionnel créé dans un double puits quantique de semi-conducteurs. Grâce à un champ électrique appliqué perpendiculairement au plan des puits, les deux composants de l'exciton, l'électron et le trou, sont chacun confinés dans deux puits séparés. Ceci donne lieu à des excitons avec un fort moment dipolaire qui sont piégés et refroidis à très basse température. Dans ce manuscrit, nous étudions les propriétés du gaz d'excitons à travers la photoluminescence émise lors de la recombinaison des paires électron-trou, que nous analysons grâce à des mesures spectroscopiques et interférométriques. Ainsi, nous avons étudié la thermodynamique du gaz d'excitons dans un piège harmonique et établi son équation d'état. Nous avons dévoilé l'universalité de l'équation d'état ce qui a rendu possible la première démonstration de l'équilibre thermodynamique du gaz et a aussi permis d'évaluer la force des interactions entre excitons. En associant des mesures de cohérence spatiale et l'étude de la distribution de défauts de densité dans la photoluminescence des excitons, nous avons montré que dans une zone centrale du piège de rayon R < 3 µm, il s'opère conjointement une augmentation du niveau de cohérence et une diminution de la densité de défauts. Des travaux précédents ayant montré que ces défauts pouvaient constituer des défauts topologiques appelés vortex, nos observations constituent ainsi un ensemble de preuves de l'établissement d'un état superfluide dans la partie centrale du piège, en accord avec la théorie prédite par Berezinskii-Kosterlitz et Thouless. / This work is devoted to the study of a two dimensional exciton gas created in a semiconductordouble quantum wells. Thanks to an electric field applied perpendicular to these layers,the exciton constituents, namely, the electron and the hole, are confined each in one quantumwell so that excitons inherit a strong electric dipole. In this manuscript, we study the propertiesof such exciton gas trapped at very low temperature, through the photoluminescence emittedby electron-hole recombinations. We particularly study the emitted light using spectroscopic andinterferometric techniques. Thus, we explore the thermodynamics of a trapped gas and quantifyits equation of state. We unveil an important feature: the universality of the equation of state,which allows the first demonstration of thermodynamic equilibrium for excitons, and we realizea direct measurement of the excitons dipolar interaction strength. By probing both the spatialcoherence and the density of defects of the excitons photoluminescence, we show that it exists acentral region (R < 3 μm) in an exciton trap where a high degree of spatial coherence is conditionedby a decrease of the defects density. Our experiments thus provide a set of evidences pointingtowards a Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition for trapped 2D exciton gas.

L'approximation de la phase aléatoire auto-cohérente (SCRPA) est une méthode qui permet d'inclure dans la théorie de champ moyen des corrélations dans l'état fondamental et les états excités. Elle constitue alors une méthode de type champ moyen pour les fluctuations quantiques. Elle a l'avantage de ne pas violer le principe de Pauli, contrairement à la RPA standard. qui, elle, est basée sur l'approximation dite de quasi-bosons. De plus, la SCRPA peut être formulée à partir d'un principe variationnel.<br> Nous présentons la méthode SCRPA pour la description de la superfluidité dans les systèmes de fermions en utilisant sa version Quasi-particule (SCQRPA). Une étude détaillée de la transition de phase normale/superfluide ainsi que une discussion du mode mou qui enclenche la brisure de symétrie nombre de particules sont présentées. Comme application, nous avons traité le modèle d'appariement à deux niveaux qui est un modèle exactement soluble. Des bons résultats sont obtenus en comparaison avec les résultats exacts. La nature du mode spurieux dans la SCQRPA est identifiée. Une forte réduction de la fluctuation du nombre total de particules dans la SCQRPA par rapport à la méthode BCS est établie. La transition de la phase superfluide à la phase normale est soigneusement étudiée. Une nouvelle méthode de calcul des nombres d'occupation est présentée.<br> Le succès de la méthode SCQRPA est aussi présent dans le cas d'un modèle mélangeant fermions en bosons tel que le modèle de Da-Providencia-Schütte. Il subsiste cependant un problème concernant le mode spurieux qui doit être encore approfondi.<br> Dans le cas du modèle de la séniorité, on montre que la méthode SCQRPA permet d'une manière naturelle de restaurer la symétrie (nombre de particules) brisée au niveau de l'approximation de champ moyen. Ceci est réalisé par l'introduction d'un second paramètre de Lagrange qui fixe la variance de l'opérateur de symétrie à zéro. Cette caractéristique importante de la méthode SCQRPA est signalée pour la première fois.

Cette thèse est dédiée à l'étude de l'analogue du rayonnement de Hawking dans les condensats de Bose-Einstein. Le premier chapitre présente de nouvelles configurations d'intérêt expérimental permettant de réaliser l'équivalent acoustique d'un trou noir gravitationnel dans l'écoulement d'un condensat atomique unidimensionnel. Nous donnons dans chaque cas une description analytique du profil de l'écoulement, des fluctuations quantiques associées et du spectre du rayonnement de Hawking. L'analyse des corrélations à deux corps de la densité dans l'espace des positions et des impulsions met en évidence l'émergence de signaux révélant l'effet Hawking dans nos systèmes. En démontrant une règle de somme vérifiée par la matrice densité à deux corps connexe, on montre que les corrélations à longue portée de la densité doivent être associées aux modifications diagonales de la matrice densité à deux corps lorsque l'écoulement du condensat présente un horizon acoustique. Motivés par des études expérimentales récentes de profils d'onde générés dans des condensats de polaritons en microcavité semi-conductrice, nous analysons dans un second chapitre les caractéristiques superfluides et dissipatives de l'écoulement autour d'un obstacle localisé d'un condensat de polaritons unidimensionnel obtenu par pompage incohérent. Nous examinons la réponse du condensat dans la limite des faibles perturbations et au moyen de la théorie de Whitham dans le régime non-linéaire. On identifie un régime dépendant du temps séparant deux types d'écoulement stationnaire et dissipatif : un principalement visqueux à faible vitesse et un autre caractérisé par un rayonnement de Cherenkov d'ondes de densité à grande vitesse. Nous présentons enfin des effets de polarisation obtenus en incluant le spin des polaritons dans la description du condensat et montrons dans le troisième chapitre que des effets similaires en présence d'un horizon acoustique pourraient être utilisés pour démontrer expérimentalement le rayonnement de Hawking dans les condensats de polaritons.