At : Sorbonne Université - Campus Jussieu, amphi Charpak , on 14:00

Ces travaux sont consacrés à l'étude d'un gaz d'excitons bidimensionnel créé dans un double puits quantique de semiconducteurs. 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 naissance à des excitons avec un fort moment dipolaire, 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 et établi l'équation d'état du gaz d'excitons dans un piège harmonique. 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.

At : Collège de France, Salle 5, 11 place Marcelin Berthelot, 75005 Paris , on 14:30

Probing ultracold quantum gases with resonant light allows to reveal their properties and control their degrees of freedom. I will present two complementary experimental investigations of the dynamics of a quantum gas in optical lattices when it is exposed to resonant light. Both studies reveal the significant part played by inter-atomic interactions. The internal electronic structure of alkaline-earth-like atoms (in our case ytterbium) provides relevant optical transitions. I will first show the coherent control of a degenerate gas loaded in deep optical lattices. I use the ’clock’ transition, which has no spontaneous emission, to coherently manipulate the internal degrees of freedom of the atoms. The internal dynamics allows me to measure the collisional properties at low temperature for both clock states. Then I will present the dissipative dynamics of atoms when spontaneous emission comes into play. I use the spontaneously emitted photons of the ’intercombination’ transition excited level to induce a coupling to the external degrees of freedom of the atoms. The interplay between dissipation and strong inter-atomic interactions slow down the decoherence and lead to an anomalous sub-diffusive relaxation. A simple model comprising atomic motion, interactions and dissipation accounts for these observations.

At : L361 - ENS 24 rue Lhomond 75005 PARIS

A major focus in modern experimental quantum physics is to create many-particle entangled states with single-particle control. In this Thesis we present a new platform that aims at achieving this purpose by combining two main ingredients: the collective coupling of cold rubidium atoms to an optical cavity and the individual control of the particles via a high-resolution microscope. At the heart of our experimental system is a miniaturized fiber Fabry-Perot cavity that allows accessing the strong coupling regime of Cavity Quantum Electrodynamics (CQED). In addition to the CQED probe, a second cavity mode with twice the wavelength creates a lattice potential for identically and maximally coupling the atoms to the cavity. The spatial overlap between the two intra-cavity standing waves plays an essential role and we present methods to characterize and optimize it. We also report a technique for integrating the fiber cavity with a high-numerical aperture objective in a compact and stable setup. For transporting cold atoms from the capture region to the fiber resonator, we developed a system based on a movable optical dipole trap, driven by an acousto-optical deflector, which realizes a fast and efficient loading of the intra-cavity lattice. The combination of these elements allowed the observation of strong coupling between the cavity mode and the atoms in the 1D lattice via vacuum-Rabi-splitting measurements. This constitutes an important step towards generating many-body entanglement in our system, where the interplay between collective operations (performed via the cavity) and local control on the atomic qubits (provided by the microscope) is a promising approach for new entanglement schemes.

At : IMPMC - Sorbonne Université - 4 place Jussieu, 75005 Paris - Tour 23 - 4e étage - Barre 22-23 , on 14:00

At : Salle conférence Bibliothèque Paris-Sud , on 13:30

At : Université Paris Sud (Campus d'Orsay) Amphi Irène Joliot-Curie, Bât 100 , on 14:00

Dynamic nuclear polarization (DNP) is one of the most promising techniques towards a new generation of Magnetic Resonance Imaging (MRI). The idea is to use the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) in other nuclei rather than the traditional hydrogen, such as carbon. For the carbon signal to be detected, one needs to enhance its spin polarization. In thermal equilibrium — at low temperature and high magnetic field — electron spins are far more polarized than any system of nuclear spins, which is due to their smaller mass. With the DNP technique we bring the system out-of- equilibrium irradiating it with microwaves. This triggers polarization transfer from the electron spins to the nuclear ones. During my Ph.D, I have studied both analytically and numerically the competition between the dipolar interactions among electron spins (which can be tuned experimentally) and the disorder naturally present in the sample. I proposed two models to study DNP: a Heisenberg spin-chain and a system of free-fermions in the Anderson model. Two different regimes were found : (I) For strongly interacting electron spins, the out-of-equilibrium steady state displays an effective thermodynamic behavior characterised by a very low spin temperature. (II) In the weakly interacting regime, it is not possible to define a spin temperature, and it is associated to a many-body localized phase (or an Anderson-localized phase). My research was focused on the properties of the two phases with respect to the performance of DNP, and I found it to be optimal at the transition between the two. This is a very important result that has been verified by recent experiments carried in École Normale Supérieure de Paris.

At : Sorbonne Université (campus Jussieu), 4 place Jussieu 75005 Paris, Tours 13-14, LPTHE, 4ème etage , on 14:00

This Thesis is divided into two independent parts. In the first part, we study the early time dynamics of some $2d$ kinetic Ising models subject to istantaneous quench from the disordered to the ordered, low temperature, phase. The post-quench relaxation dynamics is realised by means of stochastic spin update rules, of various types, which are simulated numerically through Monte Carlo methods. Measurements of different observables related to the statistical and geometrical properties of ordered domains suggest that the relaxation dynamics approaches a dynamical scaling regime with features ascribed to $2d$ critical percolation. We study the scaling properties of the evolution towards this regime and we identify an associated growing length, different from the usual one that is responsible for coarsening. We find that this characteristic length depends on the particular microscopic dynamics and the lattice geometry. In particular, we treat three different cases: ferromagnetic Ising Model evolving with Glauber single spin-flip dynamics, ferromagnetic Ising Model evolving with Kawasaki spin-exchange dynamics and the special stochastic dynamics represented by the voter model spin update rules. In all the cases in which the stochastic dynamics satisfies detailed balance, the critical percolation state persists over a very long period of time before usual coarsening of domains takes over and leads the system to equilibrium. After having attained this critical-percolation-like state, the system continues to evolve by means of the usual curvature-driven motion of domain walls, or by more complicated microscopic dynamics. In the case of the voter model, we observe that the system briefly passes through a critical percolation state, to later approach a dynamical regime in which the scaling behaviour of the domain pattern can be ascribed to a different criticality. In the second part, we study the Hamiltonian dynamics of the $2$-spin spherical spin glass model, following a quench of the strength of the disorder. The dynamics is studied both in $N\to\infty$ limit, through the Schwinger-Dyson equations describing the time-evolution of the two-time autocorrelation and linear response functions, and in the case of $N$ finite, with $N$ the number of spin degrees of freedom, by directly integrating their equations of motion. In each case, we consider initial conditions from Gibbs-Boltzmann equilibrium at a given temperature, and subsequently evolve the configurations with Newton dynamics dictated by a different Hamiltonian, obtained from the initial one by a global rescaling of the interaction matrix elements. From the numerical solutions, we can identify three dynamical phases (in the limit $N\to\infty$) depending on the parameters that characterise the initial state and the post-quench Hamiltonian. We argue that, in the $N\to\infty$ limit, the modes decouple at long times. We evaluate the mode temperatures and we relate them to the frequency-dependent effective temperatures measured with the fluctuation-dissipation relation in the frequency domain, similarly to what was recently proposed for quantum integrable cases. Finally, we notice that the post-quench dynamics of this model is equivalent to that of the Neumann integrable model, and thus we analyse the $N-1$ integrals of motion, notably, their scaling with $N$, and we use them to show that the system is out of equilibrium in all phases, even for parameters that show an apparent Gibbs-Boltzmann behaviour of the global observables.

At : Université Paris Diderot, bâtiment Condorcet 10 rue Alice Domon et Léonie Duquet 75013 PARIS , on 14:00

Les supraconducteurs non-conventionnels, plus spécifiquement les cuprates et les matériaux à base de Fer, sont des systèmes électroniques corrélés présentant, en plus de la phase supraconductrice, une phase électronique nématique qui brise la symétrie de rotation sous-jacente du cristal. Cette phase, d’origine électronique et purement quantique, présente un point quantique critique soupçonné de jouer un rôle dans la haute température critique supraconductrice ($T_c$) observée chez ces matériaux. Nous étudions d'abord la manière dont la proximité à un point quantique critique nématique peut affecter la température critique supraconductrice ($T_c$) d'un système électronique en interaction. En incluant le couplage de la variable électronique nématique collective aux degrés de liberté du réseau dans la symétrie adéquate, la criticalité nématique est réduite dans l'espace des phases à certaines directions de haute symétrie du cristal. Cette restriction drastique de la criticalité nous permet de procéder à une étude en couplage faible, y compris au voisinage du QCP. Nous montrerons que l'augmentation de la $T_c$ par les fluctuations nématiques n'est permise qu'en cas de faible couplage électron-réseau ; si l'appariement est dominé par une interaction non-nématique loin du point quantique critique et que le couplage électron-phonon est important, il n'y a pas de dôme supraconducteur et la $T_c$ n'est pas affectée par la présence d'un QCP nématique. Nous conclurons que ce dernier cas est pertinent pour décrire le diagramme de phase de la plupart des matériaux au Fer.\\ Dans un deuxième temps, nous adopterons un point de vue symétrique en analysant l’influence de l’établissement de l’ordre supraconducteur sur l’ordre nématique pré-existant. Chez de nombreux matériaux, des mesures de constantes élastiques semblent indiquer une influence négligeable de la supraconductivité sur la nématicité. Par un calcul microscopique, nous montrons que ce comportement générique des constantes élastiques est dû à ce que la susceptibilité de charge des matériaux n'est que marginalement affectée par l'ouverture du gap supraconducteur. Nous verrons en quoi le cas de BaFe$_2$As$_2$ remet en cause cette hypothèse, et explorerons des idées théoriques apportant une explication à cette exception de comportement, en particulier le rôle des fluctuations nématiques critiques. Enfin, nous apporterons quelques pistes de réflexion pour transposer le raisonnement à la phase nématique, en analysant la dépendance en température de la distorsion orthorhombique du réseau cristallin.

At : LPT Orsay , on 14:30

At : Synchrotron SOLEIL, L’Orme des Merisiers, 91190 Saint-Aubin, Amphithéâtre du bâtiment d’accueil , on 10:30

This thesis presents an experimental study of the electronic properties of two topological materials, namely, the irradiated three-dimensional topological insulator Bi2Te3 and the natural topological superlattice phase Sb2Te. Both systems were investigated by techniques based on photoemission spectroscopy. The Bi2Te3 compounds have been irradiated by high-energy electron beams. Irradiation with electron beams is a very promising approach to realize materials that are really insulating in the bulk, in order to emphasize the quantum transport in the protected surface states. By studying a series of samples of Bi2Te3 using time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (trARPES) we show that, while the topological properties of the Dirac surface states are preserved after electron irradiation, their ultrafast relaxation dynamics are very sensitive to the related modifications of the bulk properties. Furthermore, we have studied the occupied and unoccupied electronic band structure of Sb2Te. Using scanning photoemission microscopy (SPEM), we have consistently found various nonequivalent regions on the same surface after cleaving several Sb2Te single crystals. We were able to identify three distinct terminations characterized by different Sb/Te surface stoichiometric ratios and with clear differences in their band structure. For the dominating Te-rich termination, we also provided a direct observation of the excited electronic states and of their relaxation dynamics by means of trARPES. Our results clearly indicate that the surface electronic structure is strongly affected by the bulk properties of the superlattice. Therefore, for both systems, we show that the surface electronic structure is absolutely connected to the bulk properties.

At : Thales R&amp;T 1 av Augustin Fresnel 91767 Palaiseau Cedex , on 14:00

Les applications de détection infrarouge active sont très nombreuses en particulier dans le domaine de la défense et la sécurité. On peut citer par exemple l’imagerie active proche infrarouge pour la détection et l’identification de cibles ou la spectroscopie à distance dans l’infrarouge moyen. Cependant ces systèmes sont actuellement peu utilisés en pratique à cause de leur portée limitée. Un moyen d’augmenter cette portée est d’améliorer la sensibilité des détecteurs. En effet, les détecteurs infrarouges souffrent de limitations physiques et technologiques et possèdent des bruits bien plus élevés que leurs équivalents dans le visible dont les performances approchent la détection de photon unique. L’idée principale de cette thèse est d’utiliser les outils expérimentaux de l’optique non linéaire pour effectuer une conversion de fréquence du signal infrarouge à détecter vers de plus basses longueurs d’ondes et ainsi bénéficier des performances des détecteurs fonctionnants à ces longueurs d’ondes. Les développements récents en cristaux et en lasers de pompe donnent un intérêt nouveau à ces techniques pour certains cas applicatifs particuliers, identifiés au cours de cette thèse. En particulier, l’étude détaillée de la conversion multimode à la fois temporelle et spatiale, a permis de proposer une méthode simple et originale pour dépasser l’état de l’art en terme de nombre d’éléments résolus convertis. Pour quantifier précisément les avantages de ces conversions, une étude théorique et numérique de la conversion multimode a été menée et deux séries d’expériences ont été conduites. La première concerne la détection ponctuelle de signaux moyen-infrarouge pour des applications de spectroscopie par conversion dans un cristal de GaAs à orientation périodique. La deuxième concerne la détection de cibles par imagerie active dans le proche infrarouge par conversion dans un cristal de PPLN (Periodically Polled Lithium Niobate) vers une caméra CMOS. Les performances en sensibilité obtenues sont dans les deux expériences meilleures d’un ordre de grandeur que les détections directes avec les détecteurs habituellement utilisés pour ces longueurs d’ondes.

At : Sorbonne Université, Campus Pierre et Marie Curie, Barre Cassan A, 1er étage, Laboratoire PMMH , on 14:30

Le développement des systèmes houlomoteurs ainsi que la gestion du littoral reposent sur une bonne compréhension des mécanismes liés aux interactions houle–structure. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’étude d’un champ de structures flexibles soumises à des ondes de surface, en vue de développer un système qui puisse à la fois atténuer les vagues et absorber l’énergie qui leur est associée de manière efficace. Les résultats présentés se basent autour d’expériences réalisées dans des installations de petite échelle, dans lesquelles la disposition spatiale des objets flexibles est le principal paramètre étudié. Dans un premier temps, nous caractérisons notre champ modèle afin d’évaluer l’influence de divers paramètres (configuration, flexibilité, fréquences des vagues) sur la distribution de l’énergie dans le système. Sur la base de ces résultats, nous développons ensuite un modèle d’interférences permettant de décrire les observations globales du système à partir de paramètres locaux connus, associés à une portion unitaire du champ. Ce modèle nous sert ensuite d’outil pour l’exploration d’une multitude de configurations spatiales, afin de déterminer le choix optimal vis-à-vis de l’atténuation et de l’absorption des vagues incidentes. Enfin, une campagne de mesures supplémentaire est utilisée afin d’expliquer les résultats obtenus avec le modèle et d’identifier les principes sous-jacents à cette optimisation.

At : Maison MINATEC 3 parvis Louis Néel, 38054 Grenoble Salle Chrome 1 , on 14:00