Thermodynamics of ultracold Fermi gases

• Auteur / Autrice : Sylvain Nascimbène
• Direction : Christophe Salomon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarons

Liquides de Fermi

Gaz d'électrons

Résumé

Les gaz ultrafroids permettent d'étudier sous un angle nouveau des hamiltoniens complexes issus de la matière condensée, tels le modèle de Fermi-Hubbard. Cette thèse présente une nouvelle méthode de mesure de l'équation d'état d'un gaz ultrafroid, autorisant une comparaison directe avec la théorie. Elle repose sur une mesure de la pression à l'intérieur d'un gaz à partir de son image in situ. Nous appliquons cette méthode à l'étude d'un gaz de fermions en interaction résonnante, un gaz de 7Li en interaction faible servant de thermomètre. De manière surprenante, aucune des théories à N corps du gaz unitaire ne rend compte intégralement de l'équation déduite de cette analyse. Le développement du viriel extrait des données à haute température est en accord avec la résolution du problème à trois corps. A basse température nous montrons, contrairement à un certain nombre d'études antérieures, que la phase normale se comporte comme un liquide de Fermi. Enfin, nous obtenons la température critique de superfluidité grâce à une signature claire sur l'équation d'état. Nous avons aussi mesuré la pression de l'état fondamental en fonction du déséquilibre de spin et de la force des interactions - mesure directement utile à la description de la croûte des étoiles à neutrons. Nos données valident les simulations Monte-Carlo et sont en accord avec les corrections Lee-Huang-Yang au champ moyen pour un superfluide fermionique ou bosonique. Nous observons que, dans presque tous les cas, la phase partiellement polarisée peut être décrite comme un liquide de Fermi de polarons. La masse effective du polaron déduite de l'équation d'état est en accord avec une étude de modes collectifs.

Complex Hamiltonians from condensed matter, such as the Fermi-Hubbard model, can be experimentally studied using ultracold gases. This thesis describes a new method for determining the equation of state of an ultracold gas, making the comparison with many-body theories straightforward. It is based on the measurement of the local pressure inside a trapped gas from the analysis of its in situ image. We first apply this method to the study of a Fermi gas with resonant interactions, a weakly-interacting 7Li gas acting as a thermometer. Surprisingly, none of the existing many-body theories of the unitary gas accounts for the equation of state deduced from our study over its full range. The virial expansion extracted from the high-temperature data agrees with the resolution of the three-body problem. At low temperature, we observe, contrary to some previous studies, that the normal phase behaves as a Fermi liquid. Finally we obtain the critical temperature for superfluidity from a clear signature on the equation of state. We also measure the pressure of the ground state as a function of spin imbalance and interaction strength - measure directly relevant to describe the crust of neutron stars. Our data validate Monte- Carlo simulations and quantify the Lee-Huang-Yang corrections to mean-field interactions in low-density fermionic or bosonic superfluids. We show that, in most cases, the partially polarized normal phase can be described as a Fermi liquid of polarons. The polaron effective mass extracted from the equation of state is in agreement with a study of collective modes