Breakdown of scale invariance in a quasi-two-dimensional Bose gas due to the presence of the third dimension

In this Rapid Communication, we describe how the presence of the third dimension may break the scale invariance in a two-dimensional Bose gas in a pancake-shaped trap. From the two-dimensional perspective, the possibility of a weak spilling of the atomic density beyond the ground-state of the confinement alters the two-dimensional chemical potential; in turn, this correction no longer supports scale invariance. We compare experimental data with numerical and analytic perturbative results and find a good agreement.Comment: 4 pages, 1 figure, published in PRA Rapid Com

Probing superfluidity in a quasi two-dimensional Bose gas through its local dynamics

We report direct evidence of superfluidity in a quasi two-dimensional Bose gas by observing its dynamical response to a collective excitation. Relying on a novel local correlation analysis, we are able to probe inhomogeneous clouds and reveal their local dynamics. We identify in this way the superfluid and thermal phases inside the gas and locate the boundary at which the Berezinskii--Kosterlitz--Thouless crossover occurs. This new analysis also allows to evidence the coupling of the two fluids which induces at finite temperatures damping rates larger than the usual Landau damping

Bose-Einstein condensate in a dressed trap : collective modes in a two-dimensional superfluid

Cette thèse présente la production d'un gaz dégénéré de rubidium 87 dans le régime quasibidimensionnel (2D) et l'étude des modes collectifs de ce gaz. Nous montrons que le gaz quasi-2D peut être amené en dessous du seuil de la transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless. Nous montrons le caractère superfluide du gaz dégénéré par la présence des modes quadrupolaire et ciseaux, dont nous mesurons les fréquences d'oscillation. Son caractère bidimensionnel est vérifié par la mesure de la fréquence du mode monopolaire. Nous mettons en évidence l'influence du confinement transverse et de la troisième dimension sur la fréquence de ce mode. Pour produire le superfluide, un condensat de Bose-Einstein est d'abord produit dans un piège quadrupolaire bouché par un faisceau laser très désaccordé et soigneusement optimisé pour réduire les pertes Majorana par renversement de spin. Le condensat est ensuite transféré vers un « piège habillé », c'est-à-dire un potentiel adiabatique dans lequel les atomes sont habillés par un champ radiofréquence. Pour rendre le piège plus anisotrope, le gradient magnétique est augmenté au maximum, ce qui nous permet d'explorer le régime quasi-2D pour le gaz de Bose. Les deux types de piège utilisés sont caractérisés en détail. Nous tirons parti de la souplesse du potentiel adiabatique pour exciter et étudier les modes collectifs.This thesis presents the production of a degenerate rubidium 87 gas in the quasi two-dimensional (2D) regime and the study of collective modes of this gas. We show that the gas can be prepared below the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition threshold. The superfluid nature of the gas is demonstrated through the observation of the quadrupole and scissors modes. We measure their oscillation frequencies. The bidimensional character of the gas is evidenced through the measurement of the monopole mode frequency. We show the influence of the third, hidden, dimension on this oscillation frequency. In order to produce the superfluid, a Bose-Einstein condensate is first produced in a magnetic quadrupole trap plugged by a far off-resonance laser beam, carefully optimized to overcome Majorana spin ip losses. The condensate is then transferred to the “ dressed trap “, i.e. the adiabatic potential seen by the radiofrequency dressed atoms. We ramp up the magnetic gradient to its maximum value in order to increase the trap anisotropy, and eventually reach the quasi-2D regime for the Bose gas. The two kinds of trap used are characterized in detail. We take advantage of the adiabatic potential smoothness in order to excite and study the collective modes

Condensat de Bose-Einstein dans un piège habillé: modes collectifs d'un superfluide en dimension deux

This thesis presents the production of a degenerate rubidium 87 gas in the quasi two-dimensional (2D) regime and the study of collective modes of this gas. We show that the gas can be prepared below the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition threshold. The superfluid nature of the gas is demonstrated through the observation of the quadrupole and scissors modes. We measure their oscillation frequencies. The bidimensional character of the gas is evidenced through the measurement of the monopole mode frequency. We show the influence of the third, hidden, dimension on this oscillation frequency. In order to produce the superfluid, a Bose-Einstein condensate is first produced in a magnetic quadrupole trap plugged by a far off-resonance laser beam, carefully optimized to overcome Majorana spin flip losses. The condensate is then transferred to the "dressed trap", i.e. the adiabatic potential seen by the radiofrequency dressed atoms. We ramp up the magnetic gradient to its maximum value in order to increase the trap anisotropy, and eventually reach the quasi-2D regime for the Bose gas. The two kinds of trap used are characterized in detail. We take advantage of the adiabatic potential smoothness in order to excite and study the collective modes.Cette thèse présente la production d'un gaz dégénéré de rubidium 87 dans le régime quasi bidimensionnel (2D) et l'étude des modes collectifs de ce gaz. Nous montrons que le gaz quasi-2D peut être amené en dessous du seuil de la transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless. Nous montrons le caractère superfluide du gaz dégénéré par la présence des modes quadrupolaire et ciseaux, dont nous mesurons les fréquences d'oscillation. Son caractère bidimensionnel est vérifié par la mesure de la fréquence du mode monopolaire. Nous mettons en évidence l'influence du confinement transverse et de la troisième dimension sur la fréquence de ce mode. Pour produire le superfluide, un condensat de Bose-Einstein est d'abord produit dans un piège quadrupolaire bouché par un faisceau laser très désaccordé et soigneusement optimisé pour réduire les pertes Majorana par renversement de spin. Le condensat est ensuite transféré vers un "piège habillé", c'est-à-dire un potentiel adiabatique dans lequel les atomes sont habillés par un champ radiofréquence. Pour rendre le piège plus anisotrope, le gradient magnétique est augmenté au maximum, ce qui nous permet d'explorer le régime quasi-2D pour le gaz de Bose. Les deux types de piège utilisés sont caractérisés en détail. Nous tirons parti de la souplesse du potentiel adiabatique pour exciter et étudier les modes collectifs

A two-dimensional quantum gas in a magnetic trap

9 pages, 7 figures, published in New J. Phys. 15, 033007 (2013)International audienceWe present the first experimental realization of a two-dimensional quantum gas in a purely magnetic trap dressed by a radio frequency field in the presence of gravity. The resulting potential is extremely smooth and very close to harmonic in the two-dimensional plane of confinement. We fully characterize the trap and demonstrate the confinement of a quantum gas to two dimensions. The trap geometry can be modified to a large extent, in particular in a dynamical way. Taking advantage of this possibility, we study the monopole and the quadrupole modes of a two-dimensional Bose gas

The scissors oscillation of a quasi two-dimensional Bose gas as a local signature of superfluidity

International audienceWe test the superfluid character of a two-dimensional Bose gas confined in an anisotropic harmonic trap through the frequency of the scissors mode. We show that a local analysis of this frequency allows to evidence the boundary between a superfluid phase at the centre of the cloud and a thermal phase at the edge. The location of this boundary agrees well with the prediction of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless theory within local density approximation