Impureté dans un gaz de Fermi à deux composantes

Impurity immersed in a two-component Fermi gas

• Auteur / Autrice : Matthieu Pierce
• Direction : Frédéric Chevy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/09/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• 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 : Anna Minguzzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Chevy, Anna Minguzzi, Selim Jochim, Thierry Lahaye, Pietro Massignan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Selim Jochim, Thierry Lahaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Atomes froids

Systèmes quantiques à N corps

Impureté

Polaron

Crossover BEC-BCS

Mélange Bose-Fermi

Cold atoms

Quantum many-Body systems

Impurity

Polaron

BEC-BCS crossover

Bose-Fermi mixture

Résumé

La physique des systèmes quantiques à N corps fortement corrélés est un problème très riche au cœur de nombreuses recherches actuelles. En particulier, ces systèmes peuvent posséder des propriétés spectaculaires à l’échelle macroscopique, comme la superfluidité. Les gaz d’atomes froids constituent d’excellents systèmes pour l’étude du problème à N corps du fait de leur grande versatilité et de leur haute contrôlabilité. Cette thèse porte sur l’étude des propriétés d’une impureté plongée dans un gaz de fermions superfluide à deux composantes à travers le crossover BEC-BCS. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement le temps de vie d’impuretés bosoniques dans un superfluide fermionique ainsi que les interactions entre impuretés et fermions. La mesure du temps de vie des impuretés dans le superfluide nous renseigne sur la stabilité du système et nous permet d’obtenir le contact de Tan pour deux fermions, lié à la physique des corrélations à courte portée au sein du superfluide dans le crossover. L’étude des interactions entre une impureté et le superfluide est réalisée en analysant les oscillations d’un gaz d’impuretés à l’intérieur du superfluide. Finalement, nous menons une étude théorique du diagramme de phase de l’impureté faiblement couplée au superfluide, avec une étude approfondie de l’énergie du polaron au-delà de l’approximation de champ moyen en régularisant ce problème à 2N+1 corps grâce à l’utilisation d’une interaction à trois corps. Du point de vue qualitatif, l’obtention de l’énergie de ce système à travers le crossover BEC-BCS nous permet de faire le pont entre les descriptions du polaron de Bose et du polaron de Fermi. Du point de vue quantitatif, ce calcul fournit une correction au terme de champ moyen, nécessaire pour atteindre un accord au pour-cent près entre la théorie et l’expérience, un des objectifs de la physique des systèmes quantiques.

The physics of strongly correlated quantum many-body systems is a very rich problem under heavy investigation. These systems can present many spectacular properties at the macroscopic scale such as superfluidity. Cold atom gases are excellent systems to investigate quantum many-body physics thanks to their great versatility and their high degree of controllability. This thesis deals with the study of the properties of an impurity immersed in a two-component Fermi superfluid, in the BEC-BCS crossover. In this thesis, we measure experimentally the lifetime of boson impurities immersed in a Fermi superfluid, as well as the fermion-impurity interactions. The lifetime measurements not only informs us on the stability of the system but also on the short-range correlations of the Fermi gas by giving us access to the two-body fermionic contact parameter. The study of the impurity-fermion interactions is realized with the analysis of the oscillations of a gas of impurities inside a Fermi superfluid. Finally, we pursue a theoretical study of the phase diagram of an impurity interacting weakly with a Fermi superfluid, as well as a calculation of the polaron energy beyond the mean-field approximation, obtained after a regularization of this 2N+1 body problem using a three-body interaction. Qualitatively speaking, obtaining this energy in the BEC-BCS crossover allows us to bridge between the descriptions of the Bose polaron and the Fermi polaron. Quantitatively-wise, this calculation provides a correction beyond the mean-field term, needed to achieve a percent-level agreement between theory and experiment sought in quantum many-body physics.