Cette thèse a pour objet l’étude des effets de cohérence de la propagation d’ondes en milieu désordonné, à l’aide d’atomes ultrafroids. Ces systèmes permettent un contrôle précis de paramètres clés, tels que la dimensionnalité, les interactions, la vitesse initiale des atomes et le potentiel externe. Utilisant cette flexibilité, il a été possible de réaliser des expériences en régime fortement et faiblement localisé. La première expérience traite de l’expansion d’un condensat, dont une fraction maximale de 20% est localisée, permettant ainsi l’observation de la localisation d’Anderson en 3D. Lors de la seconde expérience, les atomes ont été envoyés dans un désordre quasi 2D avec une vitesse initiale bien définie. Il a été possible d’observer la distribution en impulsions des atomes, et ainsi de mesurer le temps de libre parcours moyen et le temps de transport. La rétrodiffusion cohérente s’est clairement manifestée sous la forme d’un pic dans la direction opposée à la direction initiale. L’amplitude et la largeur de ce pic ont été étudiées, et les résultats sont en accord avec la théorie. Microscopiquement, la rétrodiffusion cohérente a pour origine l’interférence constructive entre chemins à diffusions multiples symétriques par renversement du temps (symétrie T). Cette symétrie de la propagation d’ondes a été ensuite manipulée. Un déphasage précis a été introduit grace à un pulse de gradient de champ magnétique, qui détruit la symétrie T ainsi que la rétrodiffusion cohérente, sauf pour un bref instant : une résurgence du pic est alors observée. Ce nouvel effet démontre explicitement le rôle de la cohérence et de la symétrie T dans la localisation faible. / In this manuscript the coherence effects of wave propagation in disordered potentials is studied. Our experiment uses ultracold atoms as a probe, a system allowing for a very good control over parameters such as the dimensionality, interactions, initial velocity of the atoms, and the potential landscape. Exploiting this flexibility we were able to perform experiments in the strongly and the weakly localized regime. In the former the 3D expansion of a BEC was monitored in real space, resulting in the observation of 3D Anderson localization with a maximum localized fraction of about 20%. In the latter the atoms were launched into a quasi-2D disorder with a well defined initial velocity. Monitoring the momentum space distribution the mean scattering time and the transport time can be directly measured, and coherent backscattering (CBS) is clearly visible as a peak in the backwards direction. In a first set of experiments the evolution of the CBS amplitude and width were recorded and found to be in good agreement with theory. Microscopically, CBS stems from the constructive interference of time-reversed multiply scattered paths. In a second set of CBS experiments we manipulated the time-reversal symmetry (TRS) of the wave propagation. A surgical dephasing was introduced via a shortly pulsed gradient field, which brakes TRS and suppresses CBS except for a brief moment, when a revival of CBS is observed. This novel effect showcases explicitly the role of coherence and TRS in Coherent Backscattering and weak localization.

Dans cette thèse, différents aspects de la propagation de lumière en milieux hétérogènes sont abordés. Dans un premier temps, les concepts et les outils fondamentaux de la propagation des ondes en milieux désordonnés sont rappelés.Ensuite, le régime de localisation d'Anderson est abordé pour des systèmes bidimensionnels ouverts. La localisation est mise en évidence de manière simple à partir du calcul de la figure de speckle transmis par une réalisation unique du désordre et en faisant varier les conditions d'illumination. Les régimes localisé et diffusif sont alors nettement différenciés, permettant d'introduire un nouveau critère pour la localisation.Puis, un régime dilué dans lequel les corrélations du désordre jouent un rôle important est étudié. En particulier, l'étude se concentre sur les milieux hyperuniformes, qui permettent de montrer de manière spectaculaire comment les corrélations peuvent changer les propriétés de diffusion d'un milieu jusqu'à le rendre totalement transparent. L'influence des corrélations du désordre sur le coefficient d'absorption d'un milieu désordonné est également envisagée, elle s'avère être modérée.La dernière partie s'intéresse aux fluctuations du taux d'émission d'un émetteur de type molécule fluorescente enfoui dans un milieu désordonné en fonction de sa position. Cette corrélation spatiale d'un nouveau genre permet d'obtenir de manière découplée des informations sur les détails microscopiques du milieu (corrélations) et l'environnement local de la source. / In this thesis, different aspects of wave propagation in complex media are adressed. First, basicconcepts and tools of the propagation of waves in disordered media are reminded.Then, the Anderson localization regime is tackled for two-dimensional open systems. The localization is highlighted in a simple way from a calculation of the transmitted speckle pattern for a single configuration of the disorder with varying illumination conditions. Localized and diffused regimes are clearly differenciated, allowing to introduce a new critria for localization.Next, a weak scattering regime for which correlations of the disorder play a significant role is investigated. Namely, the study is focused on hyperuniform materials, where correlations are such that they are transparent compared with their uncorreleted equivalent. The influence of the correlations of the disorder on the absorption coefficient is also considered, but it is found to be moderated.The final part is dedicated to the fluctuations of the decay rate of an emitter, (e. g. fluorescentmolecule), embedded in a disordered medium as a function of its position. This new type of spatialcorrelation allows to extract information on the microscopic details of the medium (correlations) and the local environment of the source in an uncoupled way.

In this thesis, we investigate the coherent scattering of light by atoms randomly distributed in space. As described by a model of coupled dipoles, the cooperation in the spontaneous emission process results from purely optical interactions between the atomic internal degrees of freedom. In the optically dilute regime, where the atomic medium can be described by a refractive index, we have shown that light can be deflected with the application of a gradient of magnetic field. In the dense regime, short-range interactions appear to suppress Anderson localization of light even in two dimensions, a result which disassembles the common belief that all waves are localized in two dimensions. We also find that the fringe pattern, resulting from the interference between light scattered by an atomic cloud and that of its specular image, is robust to both disorder averaging and saturation. Finally, we demonstrate two-atom bound states in the two-dimensional motion through the long-range optical coupling. This optical binding effect with an atom pair will be important to investigate the all-optical stabilization of large clouds. / Nesta tese, investigamos o espalhamento coerente de luz por átomos distribuídos aleatoriamente no espaço. Conforme descrito por um modelo de dipolos acoplados, a cooperação no processo de emissão espontânea resulta de interações puramente ópticas entre os graus internos de liberdade dos átomos. No regime opticamente diluído, onde o meio atômico pode ser descrito por um índice de refração, mostramos que a luz pode ser desviada com a aplicação de um gradiente de campo magnético. No regime denso, as interações de curto alcance parecem suprimir a localização de Anderson da luz mesmo em duas dimensões, resultado que desmonta a crença comum de que todas as ondas estão localizadas em duas dimensões. Também descobrimos que o padrão de franjas, resultante da interferência entre a luz espalhada por uma nuvem atômica e a de sua imagem especular, é robusto tanto contra a média em disordem quanto contra saturação. Finalmente, demonstramos estados ligados de dois átomos no movimento bidimensional através do acoplamento óptico de longo alcance. Este optical binding effect com um par de átomos será importante para investigar a estabilização totalmente óptica de nuvens extensas.

In this thesis, we investigate the coherent scattering of light by atoms randomly distributed in space. As described by a model of coupled dipoles, the cooperation in the spontaneous emission process results from purely optical interactions between the atomic internal degrees of freedom. In the optically dilute regime, where the atomic medium can be described by a refractive index, we have shown that light can be deflected with the application of a gradient of magnetic field. In the dense regime, short-range interactions appear to suppress Anderson localization of light even in two dimensions, a result which disassembles the common belief that all waves are localized in two dimensions. We also find that the fringe pattern, resulting from the interference between light scattered by an atomic cloud and that of its specular image, is robust to both disorder averaging and saturation. Finally, we demonstrate two-atom bound states in the two-dimensional motion through the long-range optical coupling. This optical binding effect with an atom pair will be important to investigate the all-optical stabilization of large clouds. / Nesta tese, investigamos o espalhamento coerente de luz por átomos distribuídos aleatoriamente no espaço. Conforme descrito por um modelo de dipolos acoplados, a cooperação no processo de emissão espontânea resulta de interações puramente ópticas entre os graus internos de liberdade dos átomos. No regime opticamente diluído, onde o meio atômico pode ser descrito por um índice de refração, mostramos que a luz pode ser desviada com a aplicação de um gradiente de campo magnético. No regime denso, as interações de curto alcance parecem suprimir a localização de Anderson da luz mesmo em duas dimensões, resultado que desmonta a crença comum de que todas as ondas estão localizadas em duas dimensões. Também descobrimos que o padrão de franjas, resultante da interferência entre a luz espalhada por uma nuvem atômica e a de sua imagem especular, é robusto tanto contra a média em disordem quanto contra saturação. Finalmente, demonstramos estados ligados de dois átomos no movimento bidimensional através do acoplamento óptico de longo alcance. Este optical binding effect com um par de átomos será importante para investigar a estabilização totalmente óptica de nuvens extensas.

Dans ce manuscrit, nous présentons notre avancement pour réaliser une méthode spectroscopique pour étudier la transition d’Anderson avec des atomes froids. Cela repose sur la réalisation d'un potentiel désordonné sélectif en état de spin, le désordre n'étant significatif que pour l'un des deux états de spin impliqués. En combinant cela avec la technique de transfert par radiofréquence d’un état insensible au désordre à un état exclusivement sensible au désordre, il devient possible de charger une onde de matière dans le désordre dans des états d’énergie bien définies. Pour prouver le concept, nous avons effectué des mesures des fonctions spectrales d’atomes ultra-froids dans des potentiels désordonnés, qui sont directement proportionnels au taux de transfert des atomes. Nous présentons les résultats en montrant un excellent accord avec les calculs numériques. Cela a ouvert des perspectives pour d’autres études sur la transition d’Anderson. En particulier, nous cherchons à observer la transition entre les états diffusifs et les états localisés séparés par une énergie critique, appelée le seuil de mobilité. Une telle étude nécessite la réalisation d’un désordre sélectif en état de spin qui permet un long temps de propagation dans le désordre afin de distinguer les deux phases. À cette fin, nous présentons un nouveau schéma du désordre sélectif en état de spin avec deux lasers du speckle (speckle bichromatique). Cela ouvre la voie à une approche spectroscopique de la transition d’Anderson avec des atomes froids avec une résolution en énergie bien supérieure à celles des expériences précédentes. / In this manuscript, we present our progress towards realizing a spectroscopic method to study of Anderson transition with ultracold atoms. This relies on the realization of state-dependent disordered potential whereby the disorder is significant only for one of two involved spin-states. Combined with technique of radio-frequency transfer from the disorder-free state to the state with controlled disorder, it becomes possible to load a matter wave in the disorder in a well-defined energy states. As a proof of principle, we have performed measurements of the spectral functions of ultracold atoms in disordered potentials, which are directly proportional to the transfer rate of the atoms. We present the results showing excellent agreement with numerical calculations. This has opened up prospects for further studies of the Anderson transition. In particular we seek to observe transition between the diffusive and the localized states separated by a critical energy, the so-called mobility edge. Such study requires realization of state-dependent disorder which allows long propagation time in the disorder in order to distinguish the two phases. For this purpose, we present a new scheme of the state-dependent disorder with two laser speckles (bichromatic laser speckle). This paves the way towards spectroscopic approach of Anderson transition with ultracold atoms with energy resolution much higher than those in the previous experiments.

Ce travail de thèse rapporte la production tout optique de condensats de Bose-Einstein de 39K. Une étape clé du processus expérimental est l’obtention d’un nuage suffisamment froid permettant le chargement direct d’un piège dipolaire de manière efficace. Notre solution est l’utilisation d’une mélasse fonctionnant dans le bleu de la raie D1 de cet alcalin conduisant à une densité dans l’espace des phases élevée et ainsi au chargement direct d’un grand nombre d’atomes dans un piège à 1550 nm. Le nuage est ensuite polarisé puis comprimé dans un piège dipolaire croisé avant d’entamer un refroidissement évaporatif efficace au voisinage d’une résonance de Feshbach. Ce processus permet la production rapide de condensats de Bose-Einstein toutes les 7 secondes sur notre expérience. Ces nuages dégénérés représentent le point de départ pour la conduite d’expériences visant à étudier les effets du désordre dans les gaz quantiques en dimensions réduites. Nous envisageons l’étude du diagramme de phase du gaz de Bose bidimensionnel désordonné, de la localisation d’Anderson en dimension deux ainsi que l’étude de l’influence du désordre sur un soliton brillant dans une géométrie unidimensionnelle. / This thesis presents the all optical production of 39K Bose-Einstein condensates. A key point in the process is the sub-Doppler cooling that allows for an efficient loading of an optical dipole trap. To this aim we use a gray molasses scheme working on the blue side of the D1 line of this alkali that leads to a high phase space density and a high number of trapped atoms in a 1550 nm optical trap. The cloud is then polarized and compressed in a crossed dipole trap before starting an efficient forced evaporation close to a Feshbach resonance. This process allows us to produce Bose-Einstein condensates every 7 seconds with our experiment. Those degenerate clouds represent the starting point of experiments aiming to study the influence of disorder on quantum gases in low dimensions. We discuss the perspectives to study of the phase diagram of the two-dimensional disordered Bose gas as well as the Anderson localization phenomenon in two dimensions and the behaviour of bright solitons in a disordered potential in a one-dimensional geometry.

Des puits quantiques à base d'hétérostructures In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires sur substrats InP(111)A, sont étudiés par microscopie et spectroscopie à effet tunnel à basse température et sous ultra-vide. La première partie est consacrée à une étude de la surface épitaxiée (111)A de In0.53 Ga0.47 As de type n. Il est découvert que le niveau de Fermi de surface est positionné dans la bande de conduction, à proximité du niveau de Fermi de volume, et peut être partiellement contrôlé en variant la concentration d'impuretés de type n dans le volume. Ce résultat est confirmé en déterminant la relation de dispersion de la bande de conduction en surface. Un tel dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface indique que la densité d'états de surface accepteurs est faible. Il est proposé que ces états proviennent de défauts ponctuels natifs localisés à la surface. La deuxième partie, basée sur les résultats obtenus dans la première partie, est consacrée à une étude de puits quantiques In0.53 Ga0.47 As de surface, déposés sur des barrières In0.52 Al0.48 As selon la direction (111)A. Les mesures sont conduites sur la surface épitaxiée (111)A du puits quantique In0.53 Ga0.47 As, de manière à pouvoir sonder à l'échelle du nanomètre la distribution de densité locale d'états électroniques dans le plan du puits quantique. Il est confirmé que des sous-bandes électroniques sont formées dans le puits quantique, et que la concentration d'électrons dans le puits peut être contrôlée du fait du dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface. Il est découvert qu'un phénomène de percolation d'états localisés survient dans la queue de chaque sous-bande, ce qui indique la présence d'un potentiel désordonné dans le puits quantique. Les seuils de percolation sont déterminés en utilisant un modèle semi-classique. L'origine du potentiel désordonné est attribuée à une distribution aléatoire des défauts ponctuels natifs à la surface du puits quantique. Il est également découvert qu'un état lié apparaît au bas de chaque sous-bande à proximité d'un défaut ponctuel natif de type donneur. L'énergie de liaison et le rayon de Bohr des états liés peuvent être directement déterminés. De plus, il est démontré que l'énergie de liaison et le rayon de Bohr sont fonctions de l'épaisseur du puits quantique, en accord quantitatif avec des calculs variationnels d'impuretés dans le modèle de l'atome d'hydrogène.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transport électronique dans des modèles désordonnés non ergodiques, dans le cadre de la théorie des opérateurs de Schrödinger aléatoires.Pour commencer, nous reformulons l'outil principal pour notre étude, l'analyse multi-échelles, dans le cadre non ergodique. Nous établissons les conditions d'homogénéité que l'opérateur doit vérifier pour appliquer cette méthode. Ensuite, nous étudions les propriétés spectrales des opérateurs de Delone-Anderson non ergodiques. Ces systèmes modélisent l'énergie d'une particule en interaction avec un milieu dont la structure atomique est quasi-cristalline et la nature des impuretés est désordonnée. Dans le cas où les mesures de probabilité associées au potentiel de simple site sont régulières, en dimension 2 et sous l'effet d'un champ magnétique, nous établissons une transition métal-isolant et l'existence d'une énergie de mobilité qui sépare les régions de localisation et de délocalisation dynamiques. Pour des mesures de simple site régulières et celle de Bernoulli, nous démontrons la localisation dynamique en bas du spectre. De plus, nous obtenons une description quantitative de la région de localisation dynamique en termes de paramètres géométriques de l'ensemble de Delone de base.Nous concluons ce travail avec l'étude de la densité d'états intégrée pour des modèles de Delone-Anderson, en combinaison avec des outils de la théorie des systèmes dynamiques associés aux quasi-cristaux. Sous certaines conditions sur la géométrie de l'ensemble de Delone sous-jacent, nous montrons l'existence de la densité d'états intégrée. De plus, dans le cas d'une perturbation de Delone-Anderson du Laplacien libre, nous démontrons qu'elle a un comportement asymptotique de Lifshitz en bas du spectre. / His thesis is devoted to the study of electronic transport in non ergodic disordered models, in the framework of random Schrödinger operators.We start by reformulating the main tool in our study, the multiscale analysis, in the non ergodic setting. We establish suitable homogeneity conditions on the operator, in order to apply this method.Next, we study the spectral properties of non ergodic Delone-Anderson operators. These models represent a particle interacting with a medium whose atomic structure is quasi-crystalline and the nature of its impurities is disordered. In the case where the probability measures associated to the single-site potential are regular, in dimension 2 and under the effect of a magnetic field, we establish a metal-insulator transition and the existence of a mobility edge that separates the localization and delocalization regions. In arbitrary dimension, for regular and for Bernoulli single-site measures, we show dynamical localization at the bottom of the spectrum. Moreover, we obtain a quantitative lower bound on the size of the localization region in terms of the geometric parameters of the underlying Delone structure.We conclude this essay by studying the integrated density of states for Delone-Anderson models, using tools from the theory of dynamical systems associated to quasicrystals. Under certain conditions on the geometry of the underlying Delone set, we show the existence of the integrated density of states. Furthermore, in the case of a Delone-Anderson perturbation of the free Laplacian, we show it exhibits Lifshitz tails at the bottom of the spectrum.

Propagation of coherent waves through disordered media, whether optical, acoustic, or radio waves, results in a spatially redistributed random intensity pattern known as speckle -- a statistical phenomenon. The subject of this dissertation is the statistics of monochromatic coherent light traversing disordered photonic lattices and its dependence on the disorder class, the level of disorder and the excitation configuration at the input. Throughout the dissertation, two disorder classes are considered, namely, diagonal and off-diagonal disorders. The latter exhibits disorder-immune chiral symmetry -- the appearance of the eigenmodes in skew-symmetric pairs and the corresponding eigenvalues in opposite signs. When a disordered photonic lattice, an array of evanescently coupled waveguides, is illuminated with an extended coherent optical field, discrete speckle develops. Numerical simulations and analytical modeling reveal that discrete speckle shows a set of surprising features, that are qualitatively indistinguishable in both disorder classes. First, the fingerprint of transverse Anderson localization -- associated with disordered lattices, is exhibited in the narrowing of the spatial coherence function. Second, the transverse coherence length (or speckle grain size) freezes upon propagation. Third, the axial coherence depth is independent of the axial position, thereby resulting in a coherence voxel of fixed volume independently of position. When a single lattice site is coherently excited, I discovered that a thermalization gap emerges for light propagating in disordered lattices endowed with disorder-immune chiral symmetry. In these systems, the span of sub-thermal photon statistics is inaccessible to the input coherent light, which -- once the steady state is reached -- always emerges with super-thermal statistics no matter how small the disorder level. An independent constraint of the input field for the chiral symmetry to be activated and the gap to be observed is formulated. This unique feature enables a new form of photon-statistics interferometry: by exciting two lattice sites with a variable relative phase, as in a traditional two-path interferometer, the excitation-symmetry of the chiral mode pairs is judiciously broken and interferometric control over the photon statistics is exercised, spanning sub-thermal and super-thermal regimes. By considering an ensemble of disorder realizations, this phenomenon is demonstrated experimentally: a deterministic tuning of the intensity fluctuations while the mean intensity remains constant. Finally, I examined the statistics of the emerging light in two different lattice topologies: linear and ring lattices. I showed that the topology dictates the light statistics in the off-diagonal case: for even-sited ring and linear lattices, the electromagnetic field evolves into a single quadrature component, so that the field takes discrete phase values and is non-circular in the complex plane. As a consequence, the statistics become super-thermal. For odd-sited ring lattices, the field becomes random in both quadratures resulting in sub-thermal statistics. However, this effect is suppressed due to the transverse localization of light in lattices with high disorder. In the diagonal case, the lattice topology does not play a role and the transmitted field always acquires random components in both quadratures, hence the phase distribution is uniform in the steady state.

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