Dynamique quantique dans les potentiels lumineux

Membres du jury C. Salomon, E. Arimondo, D. Delande, J.M. Robbe, J.C. Garreau et V. ZehnleNumerous studies on the quantum dynamics in periodic potential have been carried since the Bloch's work on the cristal electron dynamics. This dynamics can be experimentally observe with cold atoms. Such dynamics is here theoritically sutied in both case of a single atoms and a Bose-Einstein condensate. In a first part, the dynamics of a quantum particle in a one-dimensional, tilted ("washboard") and time-dependent lattice is studied. The description uses the Wannier-Stark states, which are localized in each site of the lattice, and provides a simple framework to describe the dynamics. Particular attention is devoted to the case of a time-dependent potential. The approach leads to analytical results that show a rich variety of dynamical behavior and illustrate the fundamental role of interference in quantum systems. In a second part we study the quantum dynamics of an ultracold quantum degenerate gas in a tilted optical lattice and show that it displays features very close to classical chaos. We show that its phase space is organized according to the Kolmogorov-Arnold-Moser theorem.La dynamique quantique dans un potentiel périodique a fait l'objet de nombreuses études depuis les travaux de Bloch, dans les années 30, portant sur la dynamique des électrons dans un solide cristalisé. Cette dynamique est expérimentalement observable à l'aide d'atomes refroidis. L'utilisation de potentiels optiques permet de synthétiser, de façon très souple, des formes variées de potentiels, périodique, stationnaire ou dépendant du temps. Outre la grande variété de potentiels accessibles, l'atout majeur présenté par ces systémes est l'absence de dissipation et de processus de décohérence. Le travail présenté s'inscrit dans cette perspective et propose une description théorique, simple et analytique, de la dynamique quantique dans un potentiel périodique dépendant du temps. Il est connu depuis les travaux de Zener (1934), que la dynamique quantique dans un potentiel périodique en escalier, contrairement à l'intuition classique, est un mouvement d'oscillations nommé Oscillations de Bloch. Nous montrons que lors d'une modulation harmonique du potentiel des phénomènes de résonance apparaissent entre la fréquence de modulation et la fréquence des oscillations de Bloch et engendrent un transport de la particule dans le réseau. Cette dynamique est alors interprétée comme une interférence quantique mettant ainsi en exergue le role fondamental des cohérences quantiques de l'état initial. La réalisation expérimentale récente (1995) de la condensation de Bose Einstein d'un gaz atomique permet d'obtenir un état quantique cohérent mésoscopique. Récemment, des oscillations de Bloch ont été observées à l'aide de tels Ètats. Nous montrons que, outre ces oscillations, le condensat dans un potentiel périodique en escalier présente des régimes dynamiques chaotiques. Notre description introduit une base d'états adaptée et nous pouvons alors décrire la dynamique comme une évolution hamiltonienne classique portant sur les amplitudes et phases des états introduits. Les couplages non-linÈaires entre les différents états engendrent, pour certains états initiaux, des dynamiques chaotiques au sens classique bien que le condensat de Bose Einstein soit un objet quantique