Effets des symétries sur la localisation dans des systèmes quantiques désordonnés

Abstract

Contrary to the classical case, transport of a quantum particle in a disorderedmedium is strongly affected by interference effects. For exemple, in dimension 1, classicaldiffusion is initialy reduced by weak localization effects and, at long times, lead to the socalled Anderson localization phénomenon. In this thesis, we use the Kicked Rotor, paradigmof quantum chaos, to study new physical aspects of disordered systems. We thus present thefirst experimental observation with atomic matter wave of a phenomenon directly linked toweak localization which is the Enhanced Return to the Origin. We show that this effect canbe used as a tool to measure accuratly the decoherence in the system. We present a novel,outstandingly simple, experimental method to control symmetry properties of the KickedRotor. This allows us to study a disordered system in presence of a non-trivial artificialAharonov-Bohm flux in a synthetic dimension. This gives us the opportunity to break thetime reversal symmetry and then to study the physics of Anderson localization in two differentsymmetry classes : the orthogonal class and the unitary class. We have investigated the effectof this symmetry breaking on physical properties of 1D disordered systems by looking twosignatures of quantum transport. We observe thus experimentally, for the first time, theCoherent Forward Scattering effect, predicted recently and which represents a novel genuinesignature of Anderson localization. We show its distinctive signatures and a good agreementwith theoretical predictions. Finally, we realise the first experimental measurements of theβ(G) scaling function, characteristic of transport in disordered medium, in two symmetryclasses. furthermore, we demonstrate their universality confirming thus the one-parameterscaling hypothesis.Contrairement au cas classique, le transport d’une particule quantique dans unmilieu désordonné est fortement affecté par des effets d’interférences. Par exemple, en dimension1, la diffusion classique est réduite initialement par des effets de localisation faible jusqu’às’annuler totalement aux temps longs, ce qui représente le célèbre phénomène de localisationd’Anderson. Dans cette thèse, nous utilisons le Kicked Rotor, paradigme du chaos quantique,pour étudier certains aspects nouveaux de la physique des systèmes désordonnés. Nous apportonsainsi la première observation expérimentale, avec des ondes de matière atomique, d’unphénomène lié à la localisation faible qui est l’augmentation de la probabilité de retour àl’origine. Nous montrons également que ce phénomène peut être utilisé comme outil précis dediagnostic de la décohérence dans le système. Nous présentons une nouvelle méthode expérimentale,remarquablement simple, pour contrôler les propriétés de symétries du Kicked Rotor.Cela nous permet de créer un système désordonné dans lequel il existe un flux Aharonov-Bohmartificiel non trivial dans une dimension synthétique. Cela nous offre l’opportunité de briserla symétrie par renversement du temps et d’étudier la physique de la localisation d’Andersondans deux classes d’universalité différentes : la classe orthogonale et la classe unitaire. Nousavons exploré l’effet de cette brisure de symétrie sur les propriétés physiques des systèmesdésordonnés 1D en regardant deux signatures du transport quantique.Nous observons ainsipour la première fois expérimentalement, l’effet de Coherent Forward Scattering, récemmentprédit, qui constitue un nouveau marqueur interférentiel de la localisation d’Anderson. Nousmettons en évidence ses signatures caractéristiques et nous trouvons qu’elles sont en très bonaccord avec les prédictions théoriques. Enfin, nous réalisons les premières mesures expérimentalesdes fonctions d’échelle β(G), caractéristiques du transport dans les milieux désordonnés,dans les deux classes de symétrie. Nous démontrons également leur universalité validant ainsil’hypothèse de la loi d’échelle à un paramètre