Thermométrie in-situ et transport de spin dans des fils quantiques fermioniques

In-situ thermometry and spin transport in fermionic quantum wires

• Auteur / Autrice : Clément De Daniloff
• Direction : Frédéric Chevy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 01/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Giamarchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Chevy, Thierry Giamarchi, Patrizia Vignolo, Isabelle Bouchoule, Leonardo Fallani, Rudolf Grimm
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrizia Vignolo, Isabelle Bouchoule

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Mots clés libres

Atomes ultrafroids

Gaz de Fermi

Systèmes quantique à N corps fortement corrélés

Simulation quantique

Ultracold atoms

Fermi gases

Strongly correlated quantum many-Body systems

Quantum simulation

Résumé

Le comportement des gaz de Fermi en basse dimension se distingue sensiblement de leurs équivalents tridimensionnels. En trois dimensions et en l'absence d'ordre, la majorité des états fermioniques de la matière sont décrits par la théorie du liquide de Landau-Fermi. Dans son cadre, le système est décrit comme un gaz de quasiparticules fermioniques en interaction faible, voire nulle. En revanche, dans le cas unidimensionnel, le spectre du système à basses énergies est entièrement déterminé par des excitations collectives de nature bosonique. Cette thèse décrit l'étude expérimentale des gaz de Fermi en basse dimension en utilisant des atomes de ⁴⁰K. Nous présentons ici trois principaux résultats. Tout d'abord, nous mettons en évidence l'implémentation de techniques nouvelles pour charger et imager individuellement des échantillons d'atomes dans un réseau optique bidimensionnel à espacement large. Ensuite, en utilisant des gaz idéaux, nous conduisons une étude quantitative de profiles de densité in-situ obtenus dans un potentiel externe préalablement calibré pour quantifier le degré de dégénérescence et la dimensionnalité des échantillons préparés. Nous rapportons l'observation de gaz de Fermi dans le régime unidimensionnel. Finalement, nous développons une technique pour séparer et isoler les deux populations de spin d'un gaz de Fermi et l'appliquons pour étudier le transport de spin en présence d'interactions fortes. Nous analysons quantitativement la relaxation du mode dipolaire dans le régime diffusif en fonction de l'intensité des interactions en se plaçant au voisinage d'une résonance de Feshbach en onde s. Nous déterminons la force de traînée ainsi que le coefficient de diffusivité. La valeur minimale mesurée de ce dernier respecte la limite quantique malgré l'absence d'invariance d'échelle dans le système. Ce dernier résultat s'ajoute au corpus de connaissance existante issue de précédentes études expérimentales réalisées avec des gaz de Fermi en deux et trois dimensions.

The behaviour of low-dimensional interacting Fermi gases greatly differs from their three-dimensional counterparts. In absence of order in 3D, the majority of fermionic states of matter can be explained by the Landau-Fermi liquid theory. Within this framework the system is described as a gas of non- or weaklyinteracting fermionic quasiparticles. By contrast, in one dimension, the low-energy excitation spectrum of the system is entirely made up of collective excitations obeying bosonic statistics. This thesis reports on the experimental study of low-dimensional Fermi gases using ultracold ⁴⁰K atoms. The main results are threefold. First, we describe the conception of novel experimental techniques to load and individually image an array of tube-shaped micro traps in a large-spacing optical lattice. Second, using these atomic ensembles in a noninteracting setting, we perform a quantitative analysis of their in-situ density profiles to extract the degree of quantum degeneracy and effective dimensionality. In this context, we show evidence of the preparation of Fermi gases in the one-dimensional regime. Third, we present a technique to separate the spin components of the gas and apply it to study spin transport in low dimensions in the presence of strong interactions. We quantitatively model the spin dipole relaxation process in the diffusive regime as a function of the interaction strength tuned with an s-wave Feshbach resonance. We determine the spin drag and the diffusivity. This minimal value of the latter is compatible with the quantum bound despite the absence of scale-invariance in the system, and supplements existing experimental studies in two- and threedimensional Fermi gases.