Les gaz de Fermi ultra-froids : une expérience de nouvelle génération et la physique d'une impureté

Ultracold Fermi gases : next generation experiment and impurity physics

• Auteur / Autrice : Ragheed Alhyder
• Direction : Christophe Salomon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Boiron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Salomon, Denis Boiron, Michael Urban, Mathilde Hugbart, Georg Bruun, Markus Holzmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Urban, Mathilde Hugbart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Mots clés libres

Gaz de Fermi

Superfluide

Impureté

Polaron

Efimov

Trimer

Atomes froids

Fermi gases

Superfluid

Impurity

Polaron

Efimov

Trimer

Cold atoms

Résumé

Une partie de la thèse porte sur la description d’une expérience de nouvelle génération construite au sein de l’équipe des gaz de fermions ultra-froids au laboratoire Kastler Brossel. Les étapes expérimentales qui mènent à la réalisation et la caractérisation d’un superfluide fermionique sont décrites ainsi que les principes physiques derrière ces méthodes qui sont bien établies dans le domaine. La deuxième partie porte sur deux études théoriques concernant la physique d’une impureté. Lorsqu’une impureté s’introduit dans un milieu en interaction, son énergie présente des divergences logarithmiques dans son développement perturbatif. Nous utilisons la méthode des fonctions de Green pour comprendre les processus fondamentaux à l’origine de ces divergences. Pour le deuxième projet, on étudie le diagramme de phase d’une impureté immergée dans une double mer de Fermi sans interactions. Nous utilisons une méthode variationnelle pour montrer qu’il existe une transition de phase du premier degré entre la limite de faible interaction impureté-fermion où une quasi-particule appelée le polaron est présente et la limite des interactions plus fortes où existe un état lié de trois particules, appelé un trimer, proche de la surface de Fermi.

Part of the thesis concerns the description of a new generation experiment built within the ultra-cold fermion gas team at the Kastler Brossel laboratory. The experimental steps that lead to the realization and characterization of a fermionic superfluid are described along with the physical principles behind these methods, which are well established in the field. The second part deals with two theoretical studies concerning the physics of an impurity. When an impurity enters an interacting medium, its energy exhibits logarithmic divergences in its perturbative development. We use the method of Green's functions to understand the fundamental processes at the origin of these divergences. For the second project, we study the phase diagram of an impurity submerged in a double Fermi sea without interactions. We use a variational method to show that there is a first degree phase transition between the limit of weak impurity-fermion interaction where a quasi-particle called the polaron is present, and the limit of stronger interaction where there is a bound state of three particles, called a trimer, close to the Fermi surface.