• Directeur de l’école doctorale Physique en Ile de France (EDPIF)
  • Professeur à l’Ecole normale supérieure
  • Professeur chargé de cours à l’Ecole polytechnique
  • Membre senior de l’Institut Universitaire de France.

J’étudie les aspects théoriques et expérimentaux des fluides quantiques et classiques et mes centres d’intérêts vont de la simulation quantique de la physique à N-corps à l’aide d’atomes ultrafroids à l’étude des phénomènes capillaires.

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LPENS Laboratoire de physique de l’Ecole normale supérieure 24 rue Lhomond 75005 PARIS

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Thèmes de recherche

Atomes ultra-froids

Fermions unidimensionnels (en collaboration avec Giuliano Orso (MPQ))

La physique des systèmes à N-corps quantiques dépend fortement de leur dimensionnalité. Ainsi, à une-dimensions, les fortes contraintes topologiques imposées par le faible nombre de degrés de liberté aboutissent à un comportement radicalement différent de celui observé à trois dimensions : parmi les exemples les plus emblématiques, on peut citer l’intégrabilité de ces systèmes, c’est-à-dire l’existence d’une infinité de constantes du mouvement empêchant la relaxation vers l’état d’équilibre thermodynamique et nécessitant une reformulation profonde de leur propriétés dynamiques. Au niveau microscopique, les excitations élémentaires ne sont pas de nature fermionique (comme dans la théorie des Liquides de Fermi décrivant des fermions à 3D) mais des excitations collectives bosoniques formant un liquide de Luttinger. Du point de vue macroscopique, il a été montré que les excitations de grande longueur d’onde des systèmes intégrables pouvaient être décrites par une version généralisée des lois de l’hydrodynamique classique.
Dans ce contexte, notre groupe est parvenu à réaliser des tubes d’atomes fermioniques quasi-unidimensionnels  et à les imager individuellement (voir figure ci-contre). Ceci donne accès une caractérisation quantitative des propriétés de ces systèmes.

Publications associées :
In Situ Thermometry of Fermionic Cold-Atom Quantum Wires C De Daniloff, M Tharrault, C Enesa, C Salomon, F Chevy, T Reimann, J. Struck, Physical Review Letters 127 (11), 113602 (2022)

Achieving one-dimensionality with attractive fermions F. Chevy, G. Orso, arXiv:2211.01013

Impuretés quantiques (en collaboration avec C. Salomon et X. Leyronas)

Le problème d’une impureté immergée dans un ensemble de particules en interactions est un des exemples les plus simples du problème à N-corps quantique. Ce problème a été étudié pour la première fois par Landau et Pekar dans leur étude du couplage d’un électron aux excitation d’un réseau cristallin. Plus récemment, les atomes froids ont démontré leur capacité à produire une vaste gamme de systèmes expérimentaux dans lesquelles plusieurs incarnations de ces problèmes d’impuretés peuvent être étudiés expérimentalement dans un environnement parfaitement contrôlé. Le polaron fermionique, correspondant à une impureté immergée dans une mer de fermions sans interactions, a pu ainsi être étudié en détails et a servi de prototype à l’étude de ce problème avec les atomes ultrafroids. L’étude ultérieure du polaron bosonique (une impureté immergée dans un condensat de Bose-Einstein) a ensuite souligné le rôle des interactions à trois corps. Enfin, plus récemment nous avons étudié les propriétés d’une impureté couplée à un gaz de fermions attractifs et nous avons montré que ce problème interpolait entre les polarons fermionique et bosoniques.

Publications associées :
Travaux expérimentaux : 

Travaux théoriques : 

Transport quantique

Un des moyens les plus directs d’avoir accès aux propriétés physiques d’un matériau est d’étudier ses propriétés de transport (électrique, thermique…). La flexibilité des systèmes d’atomes ultrafroids a donné naissance au domaine de l’atomtronique qui permet d’étudier ce problème dans une grande variété de contextes allant de la conductivité des systèmes fortement corrélés à l’étude de l’apparition de la dissipation dans les superfluides.

  • Systèmes topologiques (avec D. Wilkowski, NTU Singapour) : il est possible de tirer partie de l’interaction lumière-matière pour synthétiser des champs de jauges artificiels. Dans un champ de jauge non-abélien uniforme, le couplage spin-orbite entre les degrés de liberté interne et externes d’une particule aboutit à un mouvement de tremblement de celle-ci (Zitterbewegung) qui a pu être observé et caractérisé expérimentalement.
  • Transport dans les réseaux optiques (avec J.H. Thywissen, Toronto) : les atomes ultrafroids piégés dans des réseaux optiques permettent de reproduire expérimentalement le modèle de Fermi-Hubbard dont beaucoup considèrent qu’il recèle les réponses aux énigmes posées depuis plus de trente ans par la supraconductivité à haute température critique. Les atomes ultrafroids permettent aussi d’atteindre des régimes inaccessibles en matière condensée, par exemple des températures si haute qu’un cristal normal fondrait. C’est ce régime que le groupe de J.H. Thywissen de Toronto a étudié expérimentalement et que nous avons pu caractérisé à l’aide d’une théorie cinétique.
  • Systèmes relativistes : nous avons montré que la dynamique d’atomes confinés dans un potentiel magnétique quadrupolaire était équivalente à celle de particules ultrarelativistes (sans masse) confinées dans un potentiel harmonique. Contrairement à la physique classique où le mouvement du centre de masse oscille indéfiniment, le mouvement d’une particule sans masse est amorti du fait de la structure de sa relation de dispersion. Du fait de l’absence de collisions cependant, la relaxation se fait vers un état non thermique conservant la mémoire de la direction de l’excitation initiale.
  • Le critère de Landau revisité : une des signatures de la superfluidité est l’existence d’une vitesse critique au-dessus de laquelle la dissipation réapparaît. L’existence de cette vitesse critique a été prédite pour la première fois par Landau qui a montré que pour une faible impureté mobile, celle-ci était égale au minimun de la vitesse de phase des excitations se propageant dans le superfluide. Néanmoins, cet argument repose sur des hypothèses fortes (homogénéité du système, vitesse de déplacement constante de l’impureté) et nous  avons montré qu’en pratique celles-ci étaient rarement satisfaites expérimentalement ce qui aboutit à de fortes déviations par rapport à la prédiction originale de Landau.

Publications associées :

Systèmes topologiques

Conductivité dans les réseaux optiques

Dissipation dans les systèmes relativistes sans interactions

Le critère de Landau revisité

Revue sur l’atomtronique

Physique classique

Ces dernières années je me suis intéressé à l’étude de phénomènes spectaculaires de la vie de tous les jours en essayant d’en clarifier les principes physiques sous-jacents.

  • Le verre fantôme (avec Lydéric Bocquet) : ce phénomène se produit souvent lorsque l’on pose un verre près de l’évier lavé à la main. Comme illustré par de nombreuses vidéos Youtube, le verre se met à se déplacer spontanément, comme mû par une force invisible. Nous avons montré que cet effet provenait d’une perte d’adhésion du verre provoquée par l’apparition d’un pont capillaire l’isolant de la surface sur laquelle il est posé.
  • L’onde cobra (avec Christophe Clanet) : il s’agit d’une onde non-linéaire se propageant le long d’un treillis de bâtonnets judicieusement entrelacés. Le treillis s’élève grâce à l’impulsion fournie par l’éjection des bâtonnets et son profil peut être déduit d’un modèle continu construit à partir des propriétés mécaniques des bâtonnets. En particulier, la vitesse de l’onde est à un facteur géométrique prêt proportionnel à la vitesse du son dans le matériau les constituant.

Publications associées : 

Enseignement

Un cours sur la résistance de vague et les phénomènes de sillage à destination des élèves de CPGE

Lecture on ultracold fermions in les Houches