Bosons de Tonks et Girardeau dans un anneau à une dimension

Tonks Girardeau Bosons on a 1D ring trap

• Auteur / Autrice : Christoph Schenke
• Direction : Frank W. J. Hekking, Anna Minguzzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/10/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Physique et Modélisation des Milieux Condensés
• Jury : Président / Présidente : Alain Joye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roberta Citro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hrvoje Buljan, Vincent Lorent

Mots clés

Mots clés libres

Basse dimensionnalité

Superfluidité

Fluctuations quantiques

Interactions fortes

Reduced dimensions

Superfluididity

Quantum fluctuations

Strong interactions

Résumé

Cette thèse comprend une analyse d'un système de N bosons de masse m, à une dimension (1D). Vue des efforts expérimentaux récents et de la perspective d'étudier plusieurs effets quantiques intéressants, nous choisissons une géométrie circulaire avec une circonférence L. Un potentiel extérieur dépendant du temps nous permet d'introduire un mécanisme qui change l'état du moment angulaire des bosons. Ce potentiel est de la forme d'une fonction delta de Dirac qui se déplace le long de l'anneau à une vitesse v et la force de ce potentiel vaut U_0. Il peut être vu comme une barrière qui met les bosons en rotation. Les interactions entre les bosons sont des interactions de contact, décrites dans le modèle de Lieb et Liniger. Puisque le potentiel extérieur ne garde pas la symétrie de translation de L'Hamiltonien du système l'équation de Schrödinger n'est pas résoluble de manière exacte en utilisant un Ansatz de Bethe. Cependant, dans les limites des bosons libres et des bosons impénétrables de Tonks et Girardeau des méthodes alternatives existent pour trouver une solution exacte. Le but de cette thèse est de résoudre l'équation de Schrödinger dans ces cas limites. La solution nous permet d'accéder aux observables intéressantes concernant les propriétés superfluides des bosons libres et du gaz de Tonks. Nous effectuons une analyse du courant des particules, de ses fluctuations et de la force de traînée. Nous trouvons un comportement superfluide en-dessous d'une vitesse critique v_c=ħπ/(mL) de la barrière. Une oscillation du courant et la force de traînée est observée pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, avec n un entier naturel. De plus, nous étudions la nature de l'état quantique du gaz de Tonks. Dans les analyses de la distribution des impulsions, de la fonction de Wigner et des images ``temps de vol'' pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, on trouve que l'état du système est une superposition macroscopique de deux sphères de Fermi, l'une centrée autour de l'impulsion égale à zéro et l'autre autour de l'impulsion égale à 2q, avec q=mv/ħ. Cet état est un état fortement corrélé, non-classique car la fonction de Wigner atteint des valeurs négatives.

Recent experimental activities of boson trapping on a ring geometry open the way to explore a novel topology. We focus on a tight ring trap with strong transverse confinement leading to an effectively one-dimensional motion along its circumference. We consider a strongly interacting bose gas on the ring subjected to a localized barrier potential which is suddenly set into motion. The Bose-Fermi mapping allows to obtain an exact solution for the many-body wavefunction in the impenetrable-boson (Tonks-Girardeau) limit of infinitely strong interactions between the particles with arbitrary external potential, not treatable with the Bethe Ansatz. Using the time-dependent extension to BF mapping an exact solution for the dynamical evolution of the many-body wavefunction is obtained. The exact solution allows to calculate the particle current, the particle current fluctuations and the drag force acting on the barrier. In the weak barrier limit the stirring drives the system into a state with net zero current and vanishingly small current fluctuations for velocities smaller than v_c=ħπ/(mL), with m the atomic mass and L the ring circumference. The existence of a velocity threshold for current generation indicates superfluid-like behavior of the mesoscopic Tonks-Girardeau gas, different from the non-superfluid behavior predicted for the TG gas in an infinite tube. At velocities approaching integer multiples of v_c angular momentum can be transferred to the fluid and a nonzero drag force arises. At these velocities we predict the formation of a macroscopic superposition of a rotating and a nonrotating Fermi sphere of the mapped Fermi gas. We calculate the momentum distribution, time of flight images and the Wigner function of the Bose gas, the latter allowing to identify quantum interferences in the superposition. We find that the barrier velocity should be larger than the sound velocity for a better discrimination of the two components of the superposition.