Dans un milieu désordonné, une onde peut être localisée exponentiellement par des effets d'interférence. Ce phénomène de localisation d'Anderson conduit notamment à une annulation de la conductance d'un fluide quantique unidimensionnel. Des travaux théoriques ont cependant montré que l'application d'un champ électrique pouvait réduire, voire supprimer, cette localisation. Nous étudions ici l'effet d'une force sur la localisation d'une onde quantique de matière dans un système unidimensionnel. En lien direct avec les expériences d'atomes ultrafroids, qui permettent d'observer la localisation d'Anderson d'un paquet d'onde en étalement, ou bien l'effet du désordre sur le transport entre deux réservoirs, nous nous intéressons à deux systèmes : la diffusion et la transmission d'une particule. Afin d'étudier la transmission à travers un guide, nous étendons un formalisme de matrices de transfert à la présence d'une force, éventuellement inhomogène. Deux approches analytiques complémentaires nous permettent d'étendre les résultats au cas d'un désordre de tavelures tel que celui utilisé dans les expériences d'atomes ultrafroids. Nous montrons que la force peut être entièrement prise en compte à l'aide d'une renormalisation de la longueur du guide par un libre parcours moyen local de la particule. Pour un désordre blanc, la force conduit alors une localisation plus faible, algébrique, tandis qu'une délocalisation apparaît pour un désordre corrélé. Nous nous intéressons ensuite à la diffusion d'une particule, à l'aide d'une approche numérique. Nous mettons en évidence une délocalisation de la position à grande force sous la forme d'une croissance temporelle algébrique, dont l'exposant augmente avec la force. Nous montrons de plus que la localisation est systématiquement détruite dans un désordre corrélé. / A wave can be exponentially localized in a disordered medium, due to interference effects. This Anderson localization phenomenon leads to a cancellation of the conductance of a quantum fluid in 1D. However, theoretical works pointed out that an electric field may reduce or cancel this localization. We study here the effect of a force on the localization of a 1D quantum matter wave. Since both Anderson localization of an expanding wave packet and the effect of disorder on the transport between two reservoirs have been studied in ultracold atom experiments, we focus on two systems, namely the diffusion, or the transmission, of a particle.In order to calculate the transmission, we generalize a transfer matrix formalism to the presence of a, possibly inhomogeneous, force. The case of a speckle disorder as used in ultracold atom experiments is dealt with using two other analytical approaches. Our main is result is that the force can be entirely taken into account by renormalising the length with a local mean free path of the particle. For white-noise disorder, the force leads to a weaker, algebraic localization, whereas full delocalization appears for a correlated disorder. We then focus on the diffusion of a particle, using a numerical approach. A transition of delocalization of the particle for strong forces is shed into light through a power law increase of its position, whose exponent increases with the force. Moreover, we show that localization is systematically destroyed in a correlated disorder.

Ce manuscrit présente une étude expérimentale d'un gaz de 87Rb ultra-froid confiné à deux dimensions et en présence de désordre. Dans une première partie, nous mettons en place les outils expérimentaux développés pour manipuler les gaz confinés. Après un état de l'art sur l'apport de la communauté des atomes froids aux gaz de Bose 2D, nous détaillons notre expérience, en l'absence de désordre, qui par une comparaison fine avec des simulations Monte-Carlo quantique et grâce à une thermométrie en temps de vol très précise, a permis de quantifier l'apparition de la cohérence autour la transition de phase superfluide Berzinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT). La seconde partie est dédiée à l'effet d'un potentiel désordonné généré optiquement et corrélé microscopiquement sur les propriétés de transport et de cohérence du gaz 2D en interaction. Cette partie suit la progression de l'expérience du régime de transport classique, dans lequel nous avons mesuré la dépendance du coefficient de diffusion classique en fonction de l'énergie de la particule, jusqu'au transport quantique, que nous avons atteint grâce à une ultime méthode de ralentissement. Sur la route entre ces deux régimes, nous observons un décalage vers les faibles entropies de l'établissement de la cohérence autour de la transition BKT provoqué par l'ajout adiabatique d'une quantité modérée de désordre ainsi que sa suppression pour un désordre de l'ordre de la température du nuage. Ce travail est une étape vers une étude expérimentale de la transition quantique vers le verre de Bose mettant en jeu à la fois désordre et interactions. / This manuscript shows an experimental study of a disordered ultra-cold 87Rb gas confined in two dimensions.In the first part, we set up the experimental tools used to manipulate the confined gases. After a state of the art in ultracold 2D Bose gases, we describe our disorder-free experiment from which, by a comparison with quantum Monte-Carlo calculations and thanks to an accurate time-of-flight thermometry, we are able to quantify the emergence of coherence around the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless superfluid phase transition. The second part is devoted to the effect of a micrometer-range optically generated disordered potential on the transport and coherence properties of the interacting 2D gas. This part follows the experimental road from the regime of classical transport, in which we have measured the energy dependence of the classical diffusion coefficient, to the regime of quantum transport we have just reached thanks to a last cooling step. On the road between those two regimes, we observe a shift towards lower entropy of the emergence of coherence close to the BKT transition as a response of an adiabatic addition of a moderate amount of disorder. It is strongly suppressed for an amount of disorder of the order of the cloud temperature. This work is a first step to an experimental study of the quantum transition to the Bose-Glass phase involving disorder and interaction.

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.

Les ondes élastiques qui se propagent dans les plaques minces constituent un outil performant pour l'étude fondamentale des ondes en milieux complexes. Elles permettent d'élaborer des dispositifs expérimentaux de taille macroscopique, large bande et non invasifs lorsque la génération et la détection des ultrasons sont effectuées par laser. L'outil expérimental développé dans le cadre de cette thèse permet d'une part l'accès direct à la dynamique temporelle du champ de vibration normale des ondes de Lamb et d'autre part de dresser les cartographies spatiales d'amplitude et de phase des modes propres par traitement numérique. Les milieux complexes étudiés sont de deux types : les milieux homogènes chaotiques ouverts et les milieux hétérogènes fortement diffusants. Pour les premiers, on s'intéresse aux effets de l'ouverture du système fermé vers l'extérieur sur les caractéristiques spectrales et spatiales des modes. Pour ce faire, une série d'expériences est réalisée à la surface d'un wafer de silicium de forme chaotique avec un taux de pertes locales variable. Une seconde étude a trait au problème de la diffusion des ondes de Lamb par un trou non traversant : le trou " borgne ". Ses caractéristiques de résonateur basse fréquence permettent de disposer d'un grand nombre de diffuseurs efficaces dans un volume réduit. Dans de tels milieux désordonnés, les interférences entre les ondes multiplement diffusées peuvent bloquer la propagation des ondes : c'est le phénomène de "localisation d'Anderson" qui fait l'objet de la dernière partie de ce travail. On y décrit l'élaboration puis l'analyse d'un milieu localisant constitué d'une plaque de silicium contenant une collection aléatoire de trous borgnes.

Cette thèse présente une étude associant des mesures de spectroscopie tunnel, de spectroscopie d'Andreev en mode point-contact et de transport électronique sur des échantillons supraconducteurs désordonnés d'oxyde d'indium. Les mesures de transport révèlent une divergence de la résistivité depuis la température ambiante court-circuitée par la supraconductivité à basse température. Ce comportement traduit la proximité des échantillons avec la transition métal-isolant d'Anderson. La spectroscopie tunnel met en évidence un état supraconducteur inhabituel présentant un régime de pseudogap au-dessus de la température critique. Celui-ci évolue à basse température en un système inhomogène composé de paires de Cooper supraconductrices et de paires de Cooper localisées par le désordre, sans cohérence de phase. La comparaison entre plusieurs échantillons montre que ces paires de Cooper incohérentes prolifèrent avec l'augmentation du désordre et indique ainsi que la transition supraconducteur-isolant dans l'oxyde d'indium est gouvernée par la localisation progressive des paires de Cooper. Par ailleurs, en utilisant notre STM, nous avons décrit continûment l'évolution de la conductance locale entre le régime tunnel et le régime de contact. La spectroscopie d'Andreev révèle une nouvelle échelle d'énergie liée à la cohérence de phase supraconductrice et indépendante des fluctuations spatiales de la densité d'états mesurées en régime tunnel. Ceci montre que le désordre provoque une dichotomie entre l'énergie de liaison caractérisant l'appariement électronique et l'énergie de cohérence propre à l'état supraconducteur macroscopique.

Je démontre que la théorie des corrections quantiques à la conductivité, issues de la localisation faible et de l'interaction entre les électrons, donne une description raisonnable des caractéristiques de transport de charge dans les couches polycristallines de SnO2 du côté métallique de la transition métal-isolant. Les données expérimentales, obtenues aux basses températures (T = 1.8-50 K) et en champs magnétiques statiques et pulsés (jusqu'à 52 Tesla), sont analysées dans le cadre du régime de localisation faible, ainsi que dans le cadre du régime de forte localisation. Parallèlement à la discussion des mécanismes du transport de charge électrique dans les couches désordonnées de SnO2, je présente l'aperçu des approches théoriques, développées pour la description de ces mécanismes, et leurs limites. Les méthodes pour l'extraction des corrections quantiques à la conductivité, issues de la localisation faible et de l'interaction électron-électron, sont critiquement considérées. Nos résultats supposent que : 1. le mécanisme principal du déphasage des électrons est la dispersion électron-électron avec un petit transfert d'énergie ; 2. aux champs magnétiques forts, quand B ≫ Btr ≡ ~h/(4eDτ), la dépendance de la conductivité en fonction de la température est gouvernée par les corrections quantiques issues de l'interaction entre les électrons (dans la gamme T = 2 − 15 K). Pour les échantillons étudiés : Btr ≈ 0.3 Tesla, kF l ≈ 10.

Nous étudions l'effet des interactions coulombiennes sur la localisation d'Anderson dans le gaz bidimensionnel d'électrons désordonné. L'objectif est de statuer sur la question de l'existence de métaux à deux dimensions. En l'absence d'interaction, la théorie d'échelle de la localisation prédit qu'un désordre infinitésimal suffit à localiser la fonction d'onde électronique et donc à rendre le système isolant à température nulle (Abrahams et al. 1979). Dans certaines limites extrêmes, les interactions peuvent être prises en compte et l'on aboutit également à un état isolant. Cependant, aucune théorie analytique ne permet de traiter le régime quantique non-perturbatif où désordre et interaction sont intermédiaires. Expérimentalement, il est possible de l'explorer dans des échantillons de haute mobilité et basse densité. Depuis 1994, des comportements métalliques inexpliqués y ont été observés (Kravchenko et al., 1994). Nous avons mis au point une méthode numérique permettant d'étudier le problème couplé de la localisation d'Anderson en présence d'interaction, et en particulier de calculer la longueur de localisation du système corrélé à la limite thermodynamique. Cette méthode mêle Monte Carlo Quantique à température nulle et théorie d'échelle pour la conductance de Thouless. Nous trouvons que la théorie d'échelle de la localisation est préservée en présence d'interaction et donc que le gaz bidimensionnel, même corrélé, est isolant à température nulle. Nos résultats montrent de plus que les interactions délocalisent le gaz bidimensionnel et que cet effet de délocalisation est accru en présence de dégénérescence de vallées. Ils nous permettent de proposer un mécanisme simple rendant compte des principales caractéristiques des comportements métalliques observés expérimentalement.

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.

Utiliser des milieux nanostructurés pour confiner la lumière permet d'augmenter l'interaction entre un émetteur et le rayonnement électromagnétique. Dans cette thèse, nous utilisons un formalisme classique (présenté au Chap. 1) pour décrire cette interaction dans différents contextes, qui peuvent être regroupés en deux parties (respectivement Parties II et III). <br /> Dans un premier temps, nous étudions l'apparition de modes localisés en champ proche de structures complexes. Nous nous intéressons à deux différents types de structures: des nanoantennes d'or et des films d'or désordonnés. Nos résultats nous permettent de discerner les modes radiatifs et non-radiatifs. Nous introduisons le concept de Cross Density Of States (CDOS) pour décrire quantitativement la cohérence spatiale intrinsèque associée à la structure modale d'un milieu complexe. Nous démontrons ainsi une réduction de l'extention spatiale des modes au voisinage de la percolation électrique des films d'or désordonnés. <br /> Nous nous intéressons ensuite à des milieux fortement diffusants. En éclairant de telles structures par une source cohérente, on obtient une figure d'intensité complexe appelée speckle. Nous utilisons une méthode diagrammatique pour démontrer une corrélation négative entre les figures de speckle réfléchie et transmise à travers une tranche dans le régime mésoscopique. Nous nous intéressons ensuite à la corrélation C0, qui apparait lorsque la source est enfouie dans le milieu. Nous proposons une démonstration générale de l'égalité entre la corrélation C0 et les fluctuations normalisées de la LDOS, et soulignons le rôle fondamental des interactions de champ proche. Finalement, nous observons numériquement le régime de couplage fort entre un diffuseur résonnant et un mode localisé d'Anderson au sein d'un milieu désordonné 2D.

Le désordre joue un rôle fondamental dans de nombreux domaines de la physique, tels que la matière condensée, l'optique, l'acoustique ou la physique atomique. Il est responsable de nombre d'effets surprenants, tels que la localisation d'Anderson, certaines transitions métal-isolant et d'intriguantes phases vitreuses. La complexité inhérente aux systèmes désordonnés soulève des défis considérables à la pleine compréhension de ces phénômènes. Au cours des dernières années, le désordre s'est imposé comme un axe de recherche majeur dans le domaine des gaz quantiques ultrafroids. Ces derniers offrent de fascinantes perspectives pour mieux comprendre les effets du désordre dans les systèmes quantiques, grâce non seulement à un contrôle sans précédent de leurs paramètres mais aussi à leurs propriétés originales. Cette thèse d'Habilitation présente nos contributions récentes à la théorie des gaz quantiques désordonnés selon trois axes directeurs: - La localisation d'Anderson dans les gaz quantiques désordonnés; - Le désordre dans les gaz de Bose en interaction; - La simulation de modèles de Hubbard étendus et de modèles de spin avec des atomes ultrafroids. D'une part, nous proposons et analysons des expériences visant à réaliser des simulateurs quantiques afin d'étudier des questions ouvertes, d'importance fondamentale pour le domaine des systèmes désordonnés. A cet égard, nous montrons que les gaz quantiques offrent des perspectives prometteuses. D'autre part, nous réalisons des travaux amont qui mettent notamment en avant les propriétés originales des gaz quantiques. Ces derniers permettent ainsi de jeter un regard nouveau sur des problèmes d'intérêt général dans le domaine des systèmes désordonnés.