Thèse soutenue

Propagation du son et atténuation à limite quantique dans un gaz de Fermi deux-dimensionnel ultrafroid
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Auteur / Autrice : Markus Bohlen
Direction : Frédéric ChevyHenning Moritz
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique quantique
Date : Soutenance le 27/11/2020
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-....)
établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
Jury : Président / Présidente : Hélène Perrin
Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Chevy, Henning Moritz, Hélène Perrin, Christopher Vale, Stefano Giorgini, Matteo Zaccanti, Jean-Philippe Brantut
Rapporteurs / Rapporteuses : Christopher Vale, Stefano Giorgini

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Les systèmes bi-dimensionnels fortement corrélés sont captivants. À cause de la dimensionnalité réduite, des fluctuations thermiques empêchent un vrai ordre à longue portée et devraient donc entraver des phénomènes comme la condensation Bose-Einstein ou la superfluidité. Malgré cela, la superfluditié et la supraconductivité semblent particulièrement robustes en 2D : Dans presque tous les supraconducteurs à haute température critique les structures 2D ainsi que le couplage en onde d semblent jouer un rôle central. Dans cette thèse, nous utilisons des gaz de lithium 6 ultrafroids et homogènes avec des interactions ajustables pour effectuer des simulations quantiques explorant certaines propriétés de ces systèmes fascinants. Comme résultat principal, je présente les premières mesures de la vitesse et de l’atténuation du son dans un gaz de Fermi 2D ultrafroid, que nous utilisons pour étudier des propriétés thermodynamiques et les coefficients de transport du gaz. La vitesse du son nous permet d’extraire la compressibilité du gaz et nous obtenons un accord raisonnable avec la valeur mesurée indépendamment dans un système statique ou calculée à partir de simulations Monte-Carlo quantiques. L’atténuation des ondes sonores est déterminée par la viscosité et la conductivité thermique du gaz, et approche un minimum dans le régime fortement corrélé. Ce minimum correspond à une limite quantique universelle ~/m pour la diffusivité du son. Le gaz de Fermi 2D fortement corrélé représente donc un fluide quasi-parfait. En outre, je rends compte de deux autres expériences qui ont été réalisées dans le cadre de cette thèse, menées principalement par mes collègues N. Luick et L. Sobirey. Premièrement, nous réalisons une jonction de Josephson en séparant le gaz en deux réservoirs à l’aide d’un laser induisant une fine barrière de potentiel répulsive. Nous observons des oscillations de Josephson entre les deux réservoirs démontrant la cohérence de phase du gaz de Fermi 2D. En réduisant la hauteur de la barrière, ces oscillations sont progressivement transformées en ondes sonores. Dans la deuxième expérience, nous déplaçons un réseau optique à travers le gaz à des vitesses ajustables. Nous observons une vitesse critique pour la création d’excitations, prouvant que le gaz de Fermi 2D est superfluide. La vitesse critique est déterminée par la vitesse du son sur un grand domaine d’interactions. Finalement, je présente la caractérisation d’une nouvelle résonance Feshbach en onde d dans du potassium 40 ultrafroid, un projet qui a été mené principalement par mon collègue T. Reimann. Nous mesurons le taux de pertes inélastiques L⁽²⁾ et l’évolution des populations de spins et nous les comparons à des prédictions théoriques. Nous trouvons un bon accord entre théorie et expérience pour le taux de pertes. L’évolution des populations des spins est compatible avec le comportement prédit par la théorie.