▼  Over the past half century, atomic ensembles have been used to create sensors, clocks, and quantum information systems. As these devices become more compact, and as the number of atoms increases to improve the sensitivity for detection, the atomic samples are increasing in density and optical depth. As such, the spectroscopic properties of the atomic media are modified due to interactions among the particles in the ensemble. We report investigation of near-resonance light scattering from a cold atomic sample of 87Rb. Initially prepared in a magneto-optical trap, the atoms are loaded into a far-off-resonance optical dipole trap (FORT) in which the ensemble has a temperature near 100 mK and initial Gaussian radii of approximately 3 mm and 280 mm in the transverse and longitudinal directions, respectively. With atomic densities in the range of 1010 - 1013 atoms/cm3, measurements are made on the F=2 -> F'=3 nearly closed hyperfine transition. The experimental geometry consists of projecting a near-resonance collimated laser beam onto the entire volume of the FORT and detecting the diffusely scattered light. The measured scattered light intensity as a function of detuning, atomic number, and sample size suggests that collective light scattering depends on the optical depth of the system. Advisors/Committee Members: Mark D. Havey (Director), Jozef Dudek, Sebastian Kuhn, Steven Pascal, Toza Popovic.

▼ 

ENGLISH ABSTRACT: In this thesis we explore resonance solutions in one space and one time dimensions in the nonlinear non-integrable ø⁴ and ø⁶ models. These resonances occur when the relative velocity between the kink and antikink falls below a specific critical velocity. It has been claimed that the presence of an internal vibrational mode is a necessary condition for the existence of these solutions. However, this mode is part of the solutions in the small amplitude formulation only in the ø⁴ model. Based on this, we investigate whether the availability of such a mode in the (reduced) collective coordinate ansätze will explain the resonance solutions regardless of whether or not it is a solution within the small amplitude approximation. We extend previous collective coordinate ansätze to three independent functions. Except for special scenarios this circumvents the problem seen in earlier studies that the coordinates are ill-declined when the kink-antikink separation tends to zero. We quantitatively compare the numerical results of the ordinary differential equations obtained from these ansätze to that of the partial differential equations in both the ø⁴ and ø⁶ models.

AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie tesis ondersoek ons die resonansie oplossings in een ruimte en een tyd dimensie van die nie-lineere nie-integreebare ø⁴ en ø⁶ modelle; wat voorkom wanneer die relativistiese snelheid tussen die kink en antikink val onder 'n sekere kritiese waarde. Dit is 'n standaard veronderstelling dat die teenwoordigheid van 'n interne vibrasie mode 'n noodsaaklike kondisie vir die bestaan van hierdie vibrasie oplossings is nietemin is die oplossings ook deel van die lae amplitude formulering van die ø⁴ model. Gebaseer op hierdie idiee ondersoek ons of die beskikbaarheid van hierdie mode in die (gereduseerde) kollektiewe koordinaat ansätze die resonansie sal verduidelik ongeag of dit 'n oplossing in die klein amplitude benadering is. Ons oorweeg ook 'n kollektiewe koordinaat ansätze met drie vryheids grade in so 'n manier dat die evolusie van die resonansie veranderlike wat onstaan goed gedefinieer is. Ons vergelyk die numeriese resultate van die gewone differensiaal vergelykings wat volg met die volledige stel gedeeltelike differensiaal vergelykings beide nie ø⁴ en ø⁶ modelle.

Advisors/Committee Members: Weigel, Herbert, Stellenbosch University. Faculty of Science. Dept. of Physics..

▼ Bulk metallic glasses are not the archetypal glass-former due to their large propensity for crystallization. They are characterized by complex multi-body interactions; yet have a simple structure that lacks internal degrees of freedom usually present in prototypical network or molecular glass-formers. Nevertheless, with several empirical design principles it is possible to prepare them in ‘bulk’ sizes with exceptional properties such as corrosion resistance, high hardness, biocompatibility etc. Many past research efforts have focused on the structure-property relaxations in these materials. However, very little is known about the behavior of liquids from which they are quenched to their glassy states. Besides, from a fundamental science perspective, they serve as intriguing systems to explore the universality of liquid dynamics and glass-transition. This research aims to quantify the underlying nature of atomic-scale dynamics using experimental neutron scattering techniques and computational molecular dynamics simulations accompanied by machine learning. Specifically, this work focuses on identifying a key crossover point that marks the onset of glassy behavior in the liquid state from both experiments and simulations. Onset of cooperative dynamics has been observed in many molecular liquids, colloids, and granular materials in the metastable regime on approaching their respective glass or jamming transition points, and is considered to play a significant role in the emergence of the slow dynamics. By measuring the mean diffusion coefficient that characterizes the relaxations at long- time scales of a model metallic glass-former using quasi-elastic neutron scattering, experimental evidence of cooperative dynamics in multicomponent glass-forming metallic liquids is obtained. The onset temperature T_A of cooperativity is found to occur in the equilibrium liquid state and approximately at twice of the glass transition temperature T_g, unlike many molecular systems. Therefore, the metallic system allows examination of intriguing coordinated dynamics unambiguously in the stable liquid phase, which is usually buried in the metastable supercooled regime in many van der Waals molecular liquids. Dynamical crossover from Arrhenius to super-Arrhenius behavior is also observed in other transport properties (self diffusion coefficient, self relaxation time, and shear viscosity) in computer simulations, consistent with experimental observations. A non-parametric, unsupervised machine learning technique is used to directly characterize and visualize the correlated dynamics. The significance of this observation is further established by comparing the Arrhenius crossover in the high-temperature liquid of several metallic, molecular, and network glass-formers to their low-temperature glassy characteristics: kinetic fragility index m and T_g . A simple correlation is predicted, using existing theories of liquid-glass transition, between the fragility index m and the reduced Arrhenius crossover temperature θ_A = T_A/T_g in the… Advisors/Committee Members: Zhang, Yang (advisor), Zhang, Yang (Committee Chair), Schweizer, Kenneth S. (committee member), Heuser, Brent J. (committee member), Allain, Jean Paul (committee member).

▼ A extensão dos fenômenos quânticos em escala macroscópica é responsável por toda uma classe de efeitos como a supercondutividade, superfluidez, e condensação de Bose-Einstein, as quais desempenham um papel central na física ao longo do século passado. A produção dos primeiros condensados de Bose-Einstein tornou possível a realização de experimentos envolvendo fenômenos quânticos macroscópicos com um nível sem precedentes de controle dos parâmetros externos. As correntes persistentes em condensados estão intimamente relacionados com a nucleação de vórtices quantificados, que são defeitos topológicos como resposta à transferência de quanta de momento angular. Um método convencional para geração de tais defeitos consiste em confinar a nuvem atômica condensada em uma armadilha com rotação. Acontece que, para velocidades angulares acima de um valor crítico, estados de vórtice se tornam energeticamente favoráveis, induzindo assim a criação de vórtices quânticos. Realizações experimentais de condensados de átomos de metais alcalinos confinados por potenciais dependentes do tempo permitiram a observação não só de redes de vórtices, mas também de turbulência quântica. Uma vez que a turbulência quântica é caracterizada pela presença de um emaranhado de vórtices quânticos interagindo entre si, uma correta compreensão da dinâmica, formação e estabilidade de vórtices tem se mostrado de grande importância sendo objeto de muitos trabalhos teóricos. Em particular, o papel das excitações acústicas geradas pelo decaimento de vórtices de multipla carga no desenvolvimento de turbulência ainda é uma questão em aberto. Este trabalho tem como objetivo fornecer um conjunto de ferramentas que ajude a identificar a presença, como também a carga de vórtices em nuvens (não turbulentas) observadas utilizando imagens de tempo-de-voo. Temos feito um estudo detalhado de condensados contendo vórtices carga múltipla colocados no seu centro, onde a dinâmica do tempo-de-voo é apenas de nossos pontos de interesse. Devido ao controle que este sistema fornece experimentalmente, os modos coletivos tornam-se uma descrição importante, uma vez que podem ser excitadas usando métodos experimentais bem estabelecido tal como a modulação do comprimento de espalhamento de ondas-s, e que também pode ser responsável pelo decaimento do vórtice. Para tais fins, temos utilizado o método variacional (semi-analítico), e o cálculo totalmente numérico da equação de Gross-Pitaevskii. Assim, descrevemos os modos coletivos que acoplam a dinâmica do vórtice com as oscilações das componentes externas do condensado, bem como os efeitos em tempo-de-voo. O momento angular atua aumentando a energia cinética em torno do núcleo de vórtice, que implica em um aumento mais rápido da direção perpendicular a este. Esta situação desloca as freqüências de oscilações coletivas de um estado livre de vórtice, e gera modos coletivos mais ricos devido ao acoplamento. Agora, existem quatro modos possíveis, sendo dois tipos de modo monopolar e dois tipos de modos de quadrupolo. A diferença dentre… Advisors/Committee Members: Bagnato, Vanderlei Salvador.

▼ 

Cette thèse présente une étude expérimentale des modifications des propriétés de diffusion résonante de la lumière par des nuages mésoscopiques de rubidium 87 froids dont la densité peut être variée. pour des densités de l’ordre de 1014 atomes/cm3, les distances entre certains atomes deviennent bien plus petites que la longueur d’onde du rayonnement à résonance avec la transition d2 (780 nm) du rubidium 87. l’ampleur des interactions dipôle-dipôle entre ces diffuseurs empêche alors de les considérer comme étant indépendants les uns des autres: on parle de diffusion collective. les méthodes employées pour produire les échantillons étudiés s’appuient sur des techniques de refroidissement (ralentisseur zeeman et piège magnéto-optique) et de piégeage (pinces optiques) d’atomes neutres permettant d’obtenir des ensembles d’atomes froids (environ 100 µK) allant d’exactement un à plusieurs centaines d’entre eux. les observations réalisées portent sur la lumière diffusée par ces atomes, collectée grâce à un système optique de grande ouverture numérique. l’étude consiste dans un premier temps en la caractérisation la diffusion résonante de lumière par un unique atome. elle aboutit notamment à la mesure du retard dans la diffusion par un atome d’un paquet d’ondes lumineuses, appelé délai de wigner, dans des conditions proches d’une expérience de pensée. dans un second temps, cette étude porte sur les propriétés de diffusion collective de lumière par des ensembles denses d’atomes. elle rapporte en particuliers une mesure de la suppression de l’excitation des nano-nuages en fonction de leur densité.

This thesis reports an experimental study of the modifications of the near-resonant light scattering properties of mesoscopic cold clouds of rubidium 87 which densities are tunable. for densities of the order of 1014 atoms/cm3, inter-atomic distances can be smaller than the wavelength of the radiation at resonance with the d2 line (780 nm) of rubidium 87. the magnitude of the dipole-dipole interactions between the scatters is such that they can no longer be considered as independent of each other: a phenomenon called collective scattering. the methods used to produce the studied samples are based on cooling (zeeman slower and magneto-optical trap) and trapping (optical tweezers) techniques for neutral atoms. they allow obtaining cold (100 µK) atomic ensembles containing from exactly one to several hundreds of atoms. the observations performed are based on the light scattered by these atoms which is collected thanks to a high numerical aperture optical system. in a first step, this study consists in characterizing the near-resonant light scattering by a single atom. it leads to the measurement of the delay in the scattering by an atom of a wave packet of light, called wigner delay, in conditions close to those of a gedanken experiment. in a second step, this study deals with the collective scattering of light by dense atomic ensembles. it especially reports a measurement of the suppression of the excitation of the nano-clouds versus…

Advisors/Committee Members: Browaeys, Antoine (thesis director).

▼ 

Notre équipe étudie le comportement collectif d’un gaz d’atomes en présence d’interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d’onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l’effet du champ laser, et les dipôles induits interagissent entre eux via le champ qu’ils rayonnent. Cette interaction est d’autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considérablement le comportement radiatif de l’ensemble atomique, voire empêcher l’excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, un nuage d’atomes dense peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d’un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l’excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d’autres sont au contraire sub-radiants.Afin d’étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm³. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l’ordre de 100 nm, est proche de la longueur d'onde réduite. Enfin, l’élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l’observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons observé expérimentalement les effets de ces interactions, mais l'accord avec la théorie ne semble être, jusqu'à présent, que qualitatif (malgré nos efforts pour nous soustraire de la structure interne des atomes).Nous avons donc décidé de construire une deuxième version du dispositif expérimental. Cette ambitieuse deuxième version dispose à présent de deux axes optiques haute résolution. En plus de résoudre certains problèmes expérimentaux présent dans la précédente version, elle ouvre la voie à de nouvelles expériences pour étudier les interactions dipolaires: nouveaux régimes de densité et nouvelles configurations atomiques comme les chaînes d'atomes.

Our team studies the collective behaviour of an atomic gas in the presence of dipole-dipole interactions. These interactions appear when the atoms are illuminated by a laser of wavelength lambda that is nearly resonant with an atomic transition : the atoms are polarized by the laser field, and the induced dipoles interact with each other through the field they radiate. This interaction becomes stronger when the atoms are closer to each other, and can considerably perturb the radiative behaviour of the atomic ensemble, or even prevent the simultaneous excitation of several atoms. For instance, a dense atomic cloud can behave like an optical cavity without any mirrors : the laser can excite certain radiation modes, each with its own frequency and life time, which are different from those of an individual atom.…

Advisors/Committee Members: Browaeys, Antoine (thesis director).

▼ 

Nous présentons une étude théorique des propriétés optiques d'un ensemble dense de dipôles résonants. Nous traitons deux cas particuliers: la diffusion de la lumière par des nuages d'atomes froids et l'électroluminescence par un film de boîtes quantiques colloïdales (BQCs) placées au voisinage d'une métasurface plasmonique. En faisant varier progressivement la densité atomique, nous avons montré que la diffusion de la lumière passe d'un comportement purement diffusif à un comportement mixte comportant à la fois de la diffraction par une particule effective homogène et de la diffusion. Il en ressort que les nuages d'atomes froids sont des systèmes intéressants pour étudier la diffusion de la lumière résonante. Nous avons montré que la lumière n'est plus due à la diffusion par des atomes individuels mais à l'effet de modes collectifs étendus dans tout l'objet. Ces modes microscopiques peuvent être identifiés à des modes des équations de Maxwell pour des objets ayant la même forme et un indice effectif. Nous avons étudié l'apparition du régime d'homogénéisation, c'est-à-dire de la suppression de la partie diffuse. De façon surprenante, un nuage atomique, dense au point d'avoir à résonance un indice comparable à celui d'un métal, continue à diffuser fortement la lumière. Finalement, nous avons étudié l'émission de lumière d'un film dense de BQCs. Nous introduisons un modèle de l'électroluminescence de BQCs placées près d'une métasurface plasmonique.

We present a theoretical study of the optical properties of a dense ensemble of resonant dipoles. We consider two particular cases: scattering of light by cold atomic clouds and electroluminescence by a thin film of colloidal quantum dots (cQDs) placed in the vicinity of a plasmonic metasurface. By numerically varying the atomic density, we have shown that light scattering by an atomic cloud gradually moves from a purely diffusive regime towards a partially diffractive and diffusive one. This property makes an atomic cloud an interesting system to study resonant light scattering. It has been found that light scattering is no longer due to single atom scattering but due to collective modes extended throughout the sample. These microscopic modes can be identified with the modes of Maxwell's equations for an object with the same shape and an effective refractive index. We have studied the onset of the homogenization regime, namely the suppression of diffuse light. Against all odds, an atomic cloud, with a refractive index at resonance that is comparable to that of a metal, never reaches the homogenization regime and thus continues to scatter light. Finally, we have also studied the electroluminescence of a dense film of cQDs. We propose a model for electroluminescence from cQDs located close to a plasmonic metasurface.

Advisors/Committee Members: Greffet, Jean-Jacques (thesis director).

▼ 

L'étude des phénomènes turbulents se développant en sortie du propulseur de Hall est nécessaire pour pouvoir modéliser le transport anormal (par opposition au transport diffusif) des électrons à travers les lignes de champ magnétique. Les relations de dispersion de deux instabilités pouvant être responsables de ce transport ont été mesurées à des échelles millimétriques à l'aide du diagnostic de diffusion collective de la lumière. Ce travail de thèse s'attache à en donner une description aussi bien théorique qu'expérimentale, pierre à l'édifice de la compréhension du transport dans le propulseur. Une instabilité se propageant majoritairement dans la direction azimutale du propulseur y est caractérisée comme étant l'instabilité de dérive électronique ExB et un modèle analytique décrivant la fréquence expérimentale y est dérivé et validé. De plus, le manuscrit présente une méthode de déconvolution du signal de la diffusion collective de la fonction d'appareil pour ce mode. Une fois déconvoluées, les relations de dispersion expérimentales peuvent être ajustées par la fréquence du modèle analytique, ce qui permet de mesurer expérimentalement et de manière originale la température et la densité électronique dans le jet d'ions énergétiques du plasma du propulseur. Enfin, la seconde instabilité, se développant autour de la direction axiale du propulseur, est caractérisée comme l'instabilité double faisceau entre les ions simplement et doublement chargés du plasma

The study of turbulent phenomena that grow at the exit plane of the Hall thruster is required to modelize the anomalous transport (in contrast to the diffusion transport) of electrons across the magnetic field lines. The dispersion relations of two instabilities that can be responsible for this transport have been mesured at millimetric scales by mean of the collective light scattering diagnostic. The aim of the thesis is to describe them theoretically as well as experimentally, improving the understanding of the Hall thruster transport. In the thesis, an instability that propagates principally azimuthally is caracterized as the ExB electron drift instability and an analytical model that describes the experimental frequency is derived and validated. In addition, the manuscript presents an original method to unfold the signal of the collective scattering diagnostic from the instrumental function of this mode. Once corrected, the experimental dispersion relations can be adjusted by the frequency given by the analytical model, allowing to measure experimentally and in an original way the electron temperature and density in the energetic ion jet of the Hall thruster plasma. The second instability that is mainly propagating in the axial direction is caracterized as the two-stream instability between the simply and doubly charged ions of the plasma

Advisors/Committee Members: Bonhomme, Gérard (thesis director), Lemoine, Nicolas (thesis director).

▼ 

Ce document présente mon travail sur la dynamique transverse et longitudinale non linéaire d'un faisceau d'électrons dans ThomX, une nouvelle source de rayons X basée sur la rétrodiffusion Compton. Au cours de ce travail j'ai développé un code de simulation contenant les modèles théoriques pour calculer la dynamique non linéaire transverse et longitudinale sous l'influence de rétrodiffusion Compton. Les processus étudiés incluent les effets collectifs tels que la force de charge d'espace longitudinale, les effets de la résistivité des parois, le rayonnement synchrotron cohérent et la diffusion interne au faisceau. J'ai aussi simulé un algorithme de boucle de rétroaction longitudinale et étudié l'effet de la latence de la boucle dans les simulations pour comprendre son effet sur la dynamique du faisceau. Ce code permet d'effectuer une simulation complète en 6 dimensions de la dynamique d'un faisceau dans un anneau sous l'effet de rétrodiffusion Compton en prenant en compte la stabilisation par boucle de rétroaction pour les 400 000 tours (~ 20ms) d'un cycle d'injection. L'une des fonctionnalités importantes de ce code est qu'il peut être exécuté sur une ferme d'ordinateurs. En utilisant ce code j'ai étudié la dynamique des électrons dans ThomX et le flux de photons Compton diffusés. J'ai analysé la contribution relative de chaque phénomène physique à la dynamique globale du faisceau et comment minimiser leurs effets disruptifs. Dans le cadre de mon travail sur la boucle de rétroaction sur la phase longitudinale j'ai aussi mesuré et analysé les propriétés de la cavité RF ELETTRA à utiliser sur ThomX.

This thesis introduce my work on transverse and longitudinal non linear dynamics of an electron beam in ThomX, a novel X-ray source based on Compton backscattering. In this work I implemented in simulation code theoretical models to calculate transverse and longitudinal non linear dynamics under Compton back scattering. The processes studied include collective effect such as longitudinal space charge, resistive wall and coherent synchrotron radiation, intra beam scattering. I also implemented a longitudinal feedback algorithm and studied the effect of the feedback’s delay in the simulation to explore its effects on beam dynamics. This code allows to perform a full 6D simulation of the beam dynamics in a ring under Compton back scattering taking into account the feedback stabilisation for the 400 000 turns (~ 20 ms) of one injection cycle. One important feature is that this simulation code can be run on a computer farm. Using this code I investigated the electrons dynamics in ThomX and the flux of scattered Compton photons. I analysed the relative contribution of each physical phenomena to the overall beam dynamics and how to mitigate their disruptive effect. As part of my work on longitudinal phase feedback I also measured and analysed properties of the ELETTRA RF cavity to be used on ThomX.

Advisors/Committee Members: Zomer, Fabian (thesis director).

▼ 

Les lasers à fibres à modes bloqués font partie des rares systèmes qui permettent de réaliser une variété de fonctions optiques élaborées, au moyen de peu de composants optiques. La gestion de la dispersion apporte à ce type de lasers une variété de comportements, qui est si riche que la cartographie complète et l’analyse détaillée des états stables deviennent difficilement réalisable lorsqu’on utilise les outils conventionnels basés sur les équations de propagation du champ intra-cavité. Dans cette thèse nous montrons que l’adjonction de la technique des coordonnées collectives aux outils théoriques conventionnels, permet de résoudre au moins en partie le problème de la complexité et l’extrême diversité des états stables des cavités gérées en dispersion. En particulier, nous proposons l’ACCD (approche des coordonnées collectives dynamiques), comme un outil théorique permettant de réaliser des gains de performance substantiels dans des opérations de recherche et caractérisation des états stables du laser. D’autre part, le recours à l’approche des cordonnées collectives nous permet de mettre en évidence des effets majeurs induits par certains phénomènes qui étaient jusqu’à présent largement sous-estimés. Notamment, nous mettons en évidence des modifications majeures desdomaines respectifs des différents états stables du laser, qui surviennent lorsqu’on change la bande passant de la fitre. D’autre part, en considérant une cavité où la largeur spectrale du champ lumineux (3.12 THz) est d’un ordre de grandeur plus petite que la largeur de la bande du gain Raman, nous mettons en lumière des effets remarquables de la diffusion Raman sur les phénomènes d’hystérésis.

Mode-locked fiber laser are among the few systems that allow to achieve a variety of elaborate optical functions, by means of few optical components. The use of dispersion management brings to this type of lasers a variety of behaviors, which is so rich that the complete mapping and detailed analysis of the stable states becomes impractical when conventional tools based on the intra-cavity field propagation equations, are used. In this thesis we show that the addition of the technique ofcollective coordinates to the conventional theoretical tools, allows to solve at least in part the problem of complexity and diversity of the stable states of the cavity. In particular, we propose the DCCA (dynamical collective coordinate approach), as a theoretical tool to achieve substantial performance gains in search and characterization of stable states of the laser. Furthermore, the use of the collective coordinated approach allows us to highlight major effects induced by certain phenomena that were until now largely underestimated. In particular, we highlight major changes in the respective areas ofthe different stable states of the laser, which occur when changing the width of the band-pass filter BPF. Furthermore, considering a cavity where the spectral width of the light field (3.12 THz) is an order of magnitude smaller than the bandwidth of the Raman gain, we…

Advisors/Committee Members: Tchofo Dinda, Patrice (thesis director), Grelu, Philippe (thesis director).