Cohérence et dynamique des gaz atomiques ultrafroids de Fermi

Coherence and dynamics of ultracold atomic Fermi gases

• Auteur / Autrice : Giovanni Pecci
• Direction : Anna Minguzzi, Patrizia Vignolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 21/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et modélisation des milieux condensés (Grenoble ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Bouchoule
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Chevy, Arnaud Ralko
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrea Trombettoni, Nikolaj Thomas Zinner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz d'électrons

Fermions

Mots clés libres

Théorie

Fermions

Interactions

Fermions

Theory

Interactions

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions la cohérence et la dynamique des gaz quantiques atomiques ultra-froids, avec un regard particulier sur les gaz de Fermi. Pour ce qui concerne la cohérence, nous étudions un gaz de Fermi confiné sur un anneau en presence de un champ de jauge artificiel. Nous montrons tout d’abord que le courant persistant qui circule dans l’anneau peut être utilisé comme sonde pour les différents régimes du BCS-BEC crossover. Nous proposons un protocole de lecture de nos résultats, basé sur la co-expansion du gaz piégé sur l’anneau et d’un gaz de référence placé au centre de l’anneau lui-même. Ensuite, nous montrons qu’en utilisant le même protocole d’expansion, nous pouvons extraire des informations sur la phase du gaz quantique. Aux temps intermédiaires, le nuage en expansion fournit des informations sur la cohérence de premier ordre du gaz de Fermi. Dans les systèmes à plusieurs corps, nous pouvons également accéder au nombre de particules dans le système. Aux temps longs, nous extrayons des informations sur la cohérence à plusieurs corps du gaz. Par la suite, nous nous concentrons surla dynamique d’un gaz de Fermi à deux composants en forte interaction, piégé dans un potentiel harmonique. Nous considérons un état séparé en spin, puis nous suivons la dynamique jusqu’aux temps longs. Aux temps courts, la dynamique est superdiffusive avec des exposants dynamiques de la classe d’universalité de Kardar-Parisi-Zhang. Aux temps intermédiaires, la dynamique est dominée par des oscillations de spin amorties dévoilant un effet de traînée de spin. Aux temps longs, nous observons une thermalisation. Finalement, nous étudions un gaz de Bose multicomposant dans le régime de forte interaction. Nous fournissons d’abord la solution exacte de la fonction d’onde et nous discutons de sa symétrie. Ensuite, nous étudions la réponse du gaz à un champ de jauge artificiel, avec une attention particulière à la période du courant persistant en fonction du flux de jauge.

In this thesis, we study the coherence and the dynamics of ultracold atomic quantum gases, with a particular regard on Fermi gases. For what concerns the coherence, we study a Fermi gas confined on a ring threaded by an artificial gauge field. First, we show that the persistent current flowing in the ring can be used as probe for the different regimes of the BCS-BEC crossover. We propose a readout protocol for our results, based on the co-expansion of the gas trapped on the ring and a reference gas placed in the center of the ring itself. Next, we show that using the same expansion protocol we can extract information about the phase of the quantum gas. At intermediate times, the expanding cloud provides information about the first order coherence of the Fermi gas. In few-body systems, we can also access the number of particles in the system. At long times, we extract information about the many-body coherence coherence of the gas. Subsequently we focus on the dynamics of a strongly interacting two-component Fermi gas trapped in a harmonic potential. We consider a spin-separated state and then we follow the dynamics until long times. At short times, the dynamics is superdiffusive with dynamical exponents of the Kardar-Parisi-Zhang universality class. At intermediate times, the dynamics is dominated by damped spin oscillations unveleing a spin-drag effect. At long times, we observe thermalization. Ultimately, we study a multicomponent Bose gas in the strongly interacting regime. We first provide the exact solution for the wavefunction and we discuss its symmetry. Afterwards, we study the response of the gas to an artificial gauge field, with particular regard to the period of the persistent current as a function of the gauge flux.