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Liens :[Jeroen Danon][Freie Universitaet Berlin]

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Résumé : Fractals define a new and interesting realm for a discussion of basic phenomena in QED and quantum optics and their implementation. This interest results from specific properties of fractals, e.g., their dilatation symmetry as opposed to the translation symmetry of Euclidean space and the corresponding absence of Fourier mode decomposition. Moreover, the existence of a set of distinct (usually non integer) dimensions characterizing the physical properties (spatial or spectral) of fractals make them a useful testing ground for dimensionality dependent physical problems. We shall start by noting that the absence of Fourier transform on a fractal implies necessarily different notions of volume in direct and reciprocal spaces and thus the need to modify the Heisenberg uncertainty principle. Implications for field quantization and the definition of the notion of photon on a fractal will be further addressed. These ideas will find interesting applications in quantum optics of fractal cavities. More specifically, we shall discuss the existence of a strong Purcell effect, the modification of spontaneous emission, and the Casimir effect. We shall then turn to the case of massive bosons and discuss the nature of Bose-Einstein condensation and the onset of superfluidity in fractal structures. The existence of distinct fractal dimensions characterizing spatial and spectral properties is instrumental in understanding the dimensionality dependence of the BEC and the existence of a superfluid order either through the existence of an "Off Diagonal Long Range Order" (ODLRO) or the generalization of the Mermin-Wagner theorem.

Liens :[Eric Akkermans][Israel Institute of Technology]

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Résumé : In this talk, I will first show how a two-dimensional square lattice model with an artificial staggered flux can be simulated with ultracold atoms trapped in a bichromatic optical lattice. For bosonic atoms, besides the known uniform superfluid and Mott insulating phases, the zero-temperature phase diagram exhibits a novel kind of finite-momentum superfluid phase, characterized by a quantized staggered rotational flux [1]. An extension for fermionic atoms leads to a realization of highly tunable interacting Dirac fermions. With attractive interaction in particular, besides a s-wave superfluid phase, an unconventional superfluidity with non-local bond pairing arises [2].

[1] Lih-King Lim, C. Morais Smith, and Andreas Hemmerich, PRL 100, 130402 (2008).
[2] Lih-King Lim, Achilleas Lazarides, Andreas Hemmerich, and C. Morais Smith, EPL 88, 36001 (2009).

Liens :[Lih-King LIM][LPS, Orsay]

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Résumé : Les isolants topologiques sont des matériaux isolants dans le bulk mais qui permettent le transport de charges sur leurs bords. Leur découverte récente, d'abord en dimension 2 dans des puits quantiques de HgTe, puis en dimension 3 dans une classe de matériaux tels que Bi₂Se₃ ou Bi₂Te₃, a ouvert la voie à de nombreuses applications notamment dans les domaines de la spintronique ou de l'informatique quantique. Parallèlement, plusieurs nouveaux phénomènes physiques ont pu être prédits. L’existence de ces états de bords est protégée par un invariant topologique caractéristique de la structure de bandes du bulk et une propriété essentielle de ces matériaux est l'absence totale de diffusion en dimension 2 ou une réduction drastique de l'espace des phases des états de diffusion en dimension 3. L'étude des isolants topologiques a été réalisée jusqu’à présent sans interaction. Cela était justifié par la protection topologique des états de bords. Cependant, la situation est encore mal comprise, d’autant plus que dans certains cas on s’attend à de fortes interactions. En utilisant une théorie effective de basse énergie pour l’état de surface des isolants topologiques 3D, nous avons récemment analysé les conséquences du couplage électron-phonon. Nous avons ainsi pu prédire différentes grandeurs physiques comme la durée de vie des quasi-particules ou la résistivité surfacique, qui sont en très bon accord avec les premiers résultats expérimentaux.

Liens :[Sébastien Giraud][Institut für theoretische Physik, Düsseldorf]

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Résumé : Electronic transport in conductors or light or sound in samples in which randomly scattered waves diffuse may be characterized by the transmittance, T, which is equal to the number of effective open channels, Neff, with transmission coefficients close to unity. Beyond the localization length, at which T= Neff =1, T becomes dominated by a single channel of the largest transmission which falls exponentially with length L due to Anderson localization. The crossover to single-channel transport in disordered multichannel systems has been observed in statistics measurements of microwave radiation transmitted in ensembles of quasi-one-dimensional (Q-1D) random waveguides. The degree of fluctuations in transmitted "speckle" intensity relative to transmittance fluctuations exhibits a universal scaling behavior in the crossover to the single-channel regime, in which the disordered system can be treated as a 1D localized system coupled diffusely, through all independent channels, to the surrounding medium. We also observe single-channel pulse transmission in localized Q-1D waveguides at short and long time delays following a pulsed excitation. This indicates that localized eigenmodes of a multichannel disordered system, including rare-occurred, short-lived "necklace" states occupy distinct transmission eigenchannels of the system.

Liens :[Andrey Chabanov][Université de Texas - San Antonio], [LPMC - Université de Nice]

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Résumé : Josephson junctions are the central nonlinear elements of superconducting qubits. The interaction between the qubit degree of freedom and the quasiparticles tunneling through the junctions leads to an intrinsic relaxation mechanism. I will show that the corresponding decay rate depends on the magnetic flux that tunes the qubit properties in devices such as the phase and flux qubits, the split transmon, and the fluxonium. The theory is valid for both equilibrium and nonequilibrium quasiparticle distributions and redicts a shift in the qubit frequency due to quasiparticles. I will discuss recent experimental measurements of these effects and a way to distinguish nonequilibrium quasiparticles from other relaxation mechanisms in future experiments.

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Résumé : In this talk, I will present a scheme for qubits stored in clusters of three atoms that are long-lived against decoherence from fluctuating magnetic fields, a limiting source of noise in many experiments. Each qubit is stored in a rotationally invariant subsystem of the total angular momentum states of the three atoms, and can persist for time-scales on the order of hours, compared to milliseconds for an unprotected qubit. I will first present the theoretical scheme of rotationally invariant subsystems in atomic systems, and then move on to discuss current work at CQT on an experimental scheme to demonstrate the persistence of the qubit. This includes methods for state preparation via Rydberg blockade, state tomography via light scattering, as well as novel techniques for state estimation with sparse data.

Liens :[Hui Khoon NG][Center for Quantum Technology]

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Résumé : Since the pioneering studies on the coherence properties of radiation to modern quantum optical experiments - on fundamental issues of quantum mechanics such as Bell's theorem, quantum complementarity or quantum nondemolition measurements - the subtle properties of light has been deeply debated topics. Moreover, atom-cavity systems have been used to investigate quantum dynamical processes for open quantum systems in a regime of strong coupling and to explore quantum behaviours that have no classical counterparts. On the other hand, since the early seventies researchers have been exploring the possible realization of semiconductor-based heterostructures, devised according to the principles of quantum mechanics. The development of sophisticated growth techniques started a revolution in semiconductor physics, determined by the possibility of manipulation and building of miniaturized structures with taylored properties and interactions. However, these heterostructures have some fundamental differences with respect to the simpler two-level atom-single mode cavity model greatly exploited in quantum optics, due principally to their solid state mesoscopic nature. From fundamental as well as applyed physics perspectives, these structures present difficult challenges because microscopic many-body physics of interacting particles (e.g. Coulomb interaction) has to be merged with the quantum theory of light in these confined systems. Anyway, it is thanks to this very peculiar feature that these devices ar so successful as prototype systems, as ideal accessible and controllable arenas to investigate quantum coherence effects in competition with many-body Coulomb nonlinearities and decoherence. In this seminar I will describe a few examples of quantum optical many-body phenomena in semiconductor nanostructured systems. With the help of some works of mine [1,2,3] done in recent years I will try to present the challenges, the viewpoints and the state-of-the-art of this field from fundamental as well as applyed physics perspectives.

[1] A. Ridolfo et al., Phys. Rev. Lett. 106, 013601 (2011)
[2] M. Winger et al., Phys. Rev. Lett. 103, 207403 (2009)
[3] S. Portolan et al., Europhys. Lett. 88, 20003 (2009)

Liens :[Stefano Portolan][Institut Néel]

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Résumé : Nicolas Barré:
Étude de l'effet Josephson avec des bosons ultra-froids
Dans le domaine de la supraconductivité l'effet Josephson est un effet de cohérence quantique à l'échelle macroscopique qui donne lieu à l'établissement d'un courant entre deux matériaux supraconducteurs couplés par un lien faible, même en l'absence de potentiel extérieur appliqué. Une application bien connue est le SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) qui est un anneau supraconducteur composé de deux jonctions Josephson, permettant de mesurer des flux de champs magnétiques avec une extrême précision. La physique des bosons ultra-froids est également bien décrite par une fonction d'onde macroscopique, donnant également lieu à un effet Josephson lorsque deux condensats de Bose-Einstein sont séparés par une barrière de potentiel. Dans le cas de particules non chargées, le rôle tenu par le champ magnétique est reproduit à travers la mise en rotation du sytème. Dans ce stage, nous nous intéressons à l'étude de l'effet Josephson dans un anneau composé d'un gaz de bosons ultra-froids mis en rotation et séparé par deux barrières tunnel. Je présenterai brièvement les résultats que l'on peut attendre sur le courant au vu d'un raisonnement macroscopique, puis j'exposerai un modèle microscopique traitant d'un gaz de bosons sans interactions. Je discuterai enfin de l'approximation à deux modes et des conclusions qu'elle permet de tirer sur l'effet Josephson dans un anneau d'un point de vue microscopique.

Alexander Bilmes
Phase slip effects in a Josephson-Junction array
In this entership a long array of Josephson-Junction is considered as a phaseslip-qubit. By fixing the phase on the JJ-chain, every single junction can do phaseslips by 2π. Hence there will exist two degenerate states (m slips and m+1 slips). To treat this two-state-system as a qubit one has to operate with the non-demolition-readout by coupling the JJ-array to a cavity. The goal of this entership is to calculate the coupling constant for a flux- and a voltage biased circuit and to show their duality.

• James-cummings-hamiltonian and stark shift for big detuning
• introduction to JJ-array, explication of the phase-slip effect
• demonstration of the flux- and voltage biased circuits and their expected hamiltonians
• discussion

Liens :[LPMMC]

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Résumé : Après presque un siècle d'études, la condensation et l'évaporation d'un fluide dans un milieu poreux font toujours l'objet de nombreuses recherches. Une question très discutée porte sur l'origine de l'hystérésis entre condensation et évaporation, et sur les rôles respectifs du confinement, du désordre, ou de la topologie du milieu poreux.

Nous étudions ce problème en utilisant comme fluide l'hélium à basse température. Grâce au très faible indice optique de l'hélium , nous pouvons sonder, par diffusion de la lumière, la distribution de liquide à l'échelle microscopique, et identifier ainsi les mécanismes en jeu lors de la condensation et de l'évaporation. Les basses températures offrent l'avantage supplémentaire de permettre de réaliser des isothermes pression-densité de très haute résolution.

Dans cet exposé, j'illustrerai la puissance de cette combinaison d'approches pour deux types de mileux poreux.

Dans le Vycor, un verre poreux constitué de pores cylindriques interconnectés, nous avons montré que la fermeture du cycle d'hystérésis entre condensation et évaporation, à une température 10% inférieure à la température critique, s'explique par un mécanisme d'activation thermique, plutôt que par une modification de la transition de phase par le confinement. Nous avons également mis en évidence l'existence d'un cross-over du mécanisme d'évaporation entre percolation, à basse température, et cavitation, à haute température.

Dans les aérogels de silice, milieux extrêment poreux constitués de filaments de silice, je montrerai que nos résultats sont compatibles avec l'hypothèse que l'hystérésis est contrôlée par le désordre du paysage énergétique. La transition liquide-gaz de l'hélium dans les aérogels offre ainsi le moyen expérimental d'explorer le concept récent de transition de phase hors d'équilibre. Je discuterai certaines avancées récentes dans cette direction : exploration des états métastables, et mémoire du point de retour.

Enfin, pour améliorer notre sensibilité de détection des processus de condensation, nous avons récemment monté une expérience d'interférométrie speckle. Les résultats obtenus soulèvent plusieurs questions de principe, qui pourraient utilement être discutées après le séminaire.

Liens :[Pierre-Étienne Wolf][Institut Néel]

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Liens :[Rémi Carminati][Institut Langevin, ESPCI]

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Résumé : Frequency shifted feedback (FSF) lasers are regular laser cavities, in which a frequency shifter has been inserted: each times a photon makes a roundtrip in the cavity its frequency is shifted by a few tens of MHz. This confers to the laser field very specific properties. The optical spectrum is broadband and continuous, and when this laser feeds a two-beam interferometer the noise spectrum of the output field shows additional beats, whose position depends linearly on the path delay of the interferometer. I will present a simple and intuitive model for FSF lasers accounting for these specific coherence properties. Then I will discuss possible applications of these lasers in positioning, telemetry and tomography. Finally I will present its application to atomic physics, where FSF lasers enable to excite the whole Doppler and hyperfine width of an atomic transition. An illustration is the realization of an interferometer based on optical pumping, with a fringe spacing reduced by a factor of two compared to a regular interferometer at the same wavelength.

Liens :[Hugues Guillet de Chatellus][Liphy Grenoble]

• Formation
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Résumé : Le service informatique vous propose cette année une série de petite formations sur différents "savoir-faire" qui vous seront utiles dans le cadre de vos activités de recherche élargies .. Ces mini-formations se veulent pragmatiques et interactives. Aussi n'hésitez pas à nous soumettre les sujets qui sont importants pour vous.
La première portera sur les solutions de visio-conférence / télé-conférence : quelles possibilités ? quelles contraintes de sécurité ? et nous vous proposerons une démonstration.

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Résumé : Considerable efforts are currently devoted to the preparation of ultracold neutral atoms in the emblematic strongly correlated quantum Hall regime. The routes followed so far essentially rely on thermodynamics, i.e. imposing the proper Hamiltonian and cooling the system towards its ground state. In rapidly rotating 2D harmonic traps the role of the transverse magnetic field is played by the angular velocity. The needed angular momentum is very large and it can be obtained only for spinning frequencies extremely near to the deconfinement limit; consequently, the required control on experimental parameters turns out to be far too stringent. Here we propose to follow instead a dynamic path starting from the gas confined in a rotating ring. The large moment of inertia of such geometry facilitates the access to states with a large angular momentum, corresponding to a giant vortex. The trapping potential is then adiabatically transformed into a harmonic confinement, which brings the interacting atomic gas in the desired quantum Hall regime. We provide clear numerical evidence that for a relatively broad range of initial angular frequencies, the giant vortex state is adiabatically connected to the bosonic ν=1/2 Laughlin state, and we discuss the scaling to many particles and the robustness against experimental defects.

Liens :[Matteo Rizzi][Max-Planck Institut für Quantoptik]

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Résumé : On étudie un condensat de Bose-Einstein en rotation dans le cadre de la théorie de Gross-Pitaevskii bi-dimensionnelle. Nous identifierons et calculerons trois vitesses de rotation critiques marquant des transitions de phases caractérisées par des changements radicaux de la répartition des vortex dans le condensat. En particulier nous démontrons rigoureusement l'apparition d'une phase de type vortex géant lorsque la vitesse de rotation dépasse un seuil que nous calculons.

Liens :[Nicolas Rougerie][www.ann.jussieu.fr]

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Résumé : We have studied the cyclotron resonance in graphite at low magnetic fields. It is dominated by the vicinity of the K point because of the large density of states. Instead of a single absorption line expected in the simple parabolic-band model, the observed spectrum represents multiple harmonic structure (up to 20 harmonics). We have used a semiclassical approach that enables us to interpret the experimental data, and we have shown that the presence of the trigonal warping of the electronic band leads to two series of selection rules 3N-1 and 3N+1 for allowed transitions, unlike the usual simple parabolic-band model that gives |N|=1.

Liens :[Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Catania]

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Résumé : We analyze the effect of a sudden quench of a linear chemical potential on a trapped one-dimensional Bose gas initially confined in a finite region of an optical lattice. In the impenetrable limit, we develop an hydrodynamical theory which provides the temporal evolution of the density profile. We found that a finite density of the particles remain confined, and another is ejected outside the initial boundaries. We found analytic expressions for the `plateau' region and for the time-dependent shape of the ejected particles. Furthermore, using adaptive time-dependent DMRG and exact diagonalization techniques, we investigate the same dynamics in the truly interacting Bose-Hubbard model. The resulting dynamics typically shows two different regimes. For strong repulsion the system show a principal frequency in the temporal evolution of the observables resembling the result in the impenetrable limit. Oppositely, when decreasing the coupling and the system becomes more non-integrable, its time evolution takes on a chaotic character. The features of this transition depend on the value of the gradient.

Liens :[Mario Collura][Institut Jean Lamour, Nancy]

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Résumé : La jonction de Josephson avec un condensat de Bose-Einstein d'excitons-polaritons sera présentée dans le cadre de la théorie du champ moyen mono-mode, basée sur les équations du type Gross-Pitaevskii. Les dynamiques linéaire et non-linéaire sont considérées pour les effets extrinsèques et intrinsèques. La transition d'un régime de piégeage quantique microscopique à des oscillations Josephson se produit en raison du temps de vie fini d'un condensat de polaritons. Lorsque qu'une dynamique de polarisations non triviale est créée, il apparait dans l'espace réel la séparation spontanée des condensats ayant des polarisations opposées. Une approche basée sur la technique de Keldysh est utilisée pour aller vers une théorie multi-modes qui va prendre en compte le couplage avec des états excités.

Liens :[Optoélectronique Quantique et Nanophotonique, Clermont-Ferrand]

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Résumé : It is a general rule that as a system gets smaller its fluctuations increase. As a consequence, in small systems, thermodynamic quantities like work or heat are only defined in a statistical sense. Exact relations between the statistical distributions of thermodynamic quantities, known as fluctuations relations, have been obtained about a decade ago. Within the linear regime, these fluctuations relations lead to a modified fluctuation-dissipation theorem valid for systems close to non-equilibrium steady-states and obeying markovian dynamics. We discuss possible applications of that idea to experiments in the context of biophysics.

Liens :[David Lacoste][Physico-chimie théorique, ESPCI]

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Résumé : Les gaz dégénérés d'atomes ultrafroids constituent un système modèle pour explorer les propriétés d'états quantiques à N-corps fortement corrélés. Pour les fermions, la possibilité d'un déséquilibre de population entre les états de spin a été récemment à l'origine de nombreuses études théoriques et expérimentales. Nous nous intéressons à la situation où un seul fermion de spin down est immergé dans une mer de Fermi de particules de spin up. Ce problème joue un rôle clé dans l'analyse du diagramme de phase à température nulle et la description des expériences réalisées sur des gaz piégés. Lorsque la longueur de diffusion est négative, nous avons généralisé un premier calcul approché introduit précédemment et ne prenant en compte qu'une seule excitation particule-trou. Ceci nous a permis de donner à la fois une description exacte du polaron et de mieux comprendre l'efficacité de la première approche. Nous nous sommes ensuite intéressés au cas de la dimension 1. A nouveau, notre approche donne des résultats en excellent accord avec la solution exacte, lorsque celle-ci est connue. Enfin, nous avons généralisé, à l'aide d'une approche diagrammatique, notre traitement à la situation où l'interaction est suffisamment forte pour produire un état lié. Nous obtenons ainsi une description quasi-exacte du système tout au long de la transition BEC-BCS, qui est en excellent accord avec les résultats expérimentaux récents du groupe de C. Salomon au LKB.

Liens :[Institut für Theoretische Physik IV, Universität Düsseldorf]

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Résumé : Many quantum phenomenon, although predicted theoretically, still couldn't be observed because of strong decoherence. In case of Bose- Einstein condensation a potentially significant role is played by losses. With the help of a suitable master equation I investigate a role of background gas on the loss of coherence in optical lattices. In the talk I will present and comment an exact solution of the master equation. I will also confront my results with coherence revival observed in [1] -- the comparision is a topic of my paper [2].
[1] M. Greiner, O. Mandel, T. W. Hänsch, and I. Bloch, Nature 419, 51 (2002).
[2] K. Pawlowski and K. Rzazewski, Phys. Rev. A 81, 013620 (2010).

Liens :[Krzysztof Pawlowski][Center for Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences,]