Vers la réalisation expérimentale d'un gas de fermions à une dimension en interactions fortes

Towards the experimental realization of a strongly interacting 1D Fermi gas

• Auteur / Autrice : Cédric Enesa
• Direction : Frédéric Chevy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• 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 : Jook Walraven
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Chevy, Jook Walraven, Roberta Citro, Giacomo Roati, Robin Kaiser
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roberta Citro, Giacomo Roati

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Mots clés libres

Gaz de Fermi ultrafroids

Gaz quantiques

Physique atomique

Systèmes quantiques à N corps fortement corrélés

Physique en dimensions réduites

Ultracold Fermi gases

Quantum gases

Atomic physics

Strongly correlated quantum manybody systems

Physics in reduced dimensions

Résumé

Cette thèse décrit les récents résultats de l’expérience FerMix, expérience dédiée à l’étude des systèmes fermioniques quantiques à N corps à ultra basse température. Pour cela, des ensembles d’atomes de ⁴⁰K sont utilisés. Nous présentons ici deux principaux résultats. En premier lieu, nous décrivons le dispositif expérimental ainsi que les étapes menant à la préparation d’un gaz fermionique fortement dégénéré composé de 1.5×10⁴ atomes de ⁴⁰K à une température de T/TF = 0.14, soit juste en-dessous de la température critique de superfluidité. En second lieu, nous rapportons nos progrès pour explorer le croisement dimensonnel entre les liquides de Tomonaga- Luttinger à 1D et ceux de Landau-Fermi à 3D. Pour ce faire, nous confinons notre gaz de Fermi ultrafroid au sein d’un réseau optique 2D à grand pas. Après la description du dispositif utilisé et la caractérisation du potentiel périodique, nous discutons de la stratégie mise en oeuvre pour transférer les atomes dans le réseau 1D puis au sein de l’onde stationnaire 2D. Le chargement du réseau 1D représente l’accomplissement final présenté dans ce manuscrit : la réalisation d’un gaz de Fermi dégénéré à deux dimensions, composé de 250 atomes par état de spin et à une témperature de T/TF = 0.34.

This thesis reports on the recent results of the FerMix experiment, which is dedicated to the study of fermionic quantum many-body systems at ultralow temperatures using ensemble of ⁴⁰K. The main achievements are twofold. First, we describe the experimental apparatus and the successive stages leading to the preparation of a deeply degenerate Fermi gas of 1.5×10⁴ atoms of ⁴⁰K at a temperature of T/TF = 0.14, just below the critical temperature of superfluidity. Second, we summarize our progress towards the exploration of the dimensional crossover between the Tomonaga- Luttinger liquid in 1D and the Landau-Fermi liquid in 3D. To that end, we confine our ultracold Fermi gas in a large spacing optical lattice. The experimental considerations regarding the tunability of the dimensionality of our system as well as the apparatus used to generate the 2D lattice are described in detail. Following the characterization of the optical periodic potential, the strategy employed to transfer atoms into a single 1D lattice before loading them into the 2D standing wave is discussed. The loading of the 1D lattice represents the final milestone presented in this work: the realization of a degenerate Fermi gas in two dimensions composed of 250 atoms per spin state at a temperature T/TF = 0.34.