Corrélations et symétries dans les gaz d'atomes ultrafroids à une dimension

Correlations and symmetries in one-dimensional ultracold atomicgases

• Auteur / Autrice : Gianni Aupetit--Diallo
• Direction : Patrizia Vignolo, Mathias Albert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Mathilde Hugbart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrizia Vignolo, Mathias Albert, Mathilde Hugbart, Maxim Olshanii, Sylvain Capponi, Isabelle Bouchoule, Ovidiu Pâţu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maxim Olshanii, Sylvain Capponi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spin

Atomes froids

Mots clés libres

Atomes froids

Systèmes fortements corrélés

Physique à N-corps

Cold atoms

Highly correlated systems

Many-body physics

Résumé

Nous avons mené une étude analytique et numérique d'observables pour les mélanges unidimensionnels de spins atomiques ultrafroids avec interaction de contact entre les atomes. Ces particules peuvent être des bosons, des fermions ou une combinaison des deux. L'accent a été mis sur l'étude des régimes de forte répulsion pour leurs caractéristiques de fortes corrélations. En outre, nous avons exploré en profondeur les propriétés de symétrie des systèmes correspondants. Nous avons d'abord analysé les propriétés de corrélation de gaz atomiques ultra froids piégés dans un potentiel en forme de boîte. Nous avons examiné à la fois le cas de particules identiques et celui, plus complexes, de mélanges de spins. Nos résultats démontrent que les parois rigides du piège ont un impact significatif sur la queue de la distribution des impulsions. Plus précisément, nous avons observé que la discontinuité du piège entraîne une brisure de la relation de Tan. En conséquence, la queue de la distribution de impulsions présente des oscillations que nous avons utilisée pour proposer une méthode expérimentale permettant de déterminer l'état d'un mélange de spins bosoniques. En parallèle, nous avons considéré un modèle de mélange de spins qui brise la symétrie du système. Grâce a l'analyse conjointes des corrélations et de la symétrie, nous avons montré que même une légère brisure de symétrie a un effet considérable sur la cohérence à longue distance du système. De plus, nous avons fourni un protocole expérimental pour la réalisation d'un tel système. Nous suggérons ainsi que de nouveaux états physiques peuvent être conçus pour encoder de l’information dans le système. Enfin, nous avons abordé un système plus complexe de mélanges bosoniques piégés en forme d'anneau avec un champ de jauge artificiel généré par l'application d'un flux. Nous avons pu obtenir la solution exacte pour des mélanges équilibrés ainsi que le spectre correspondant. Grâce à l'analyse de symétrie, nous avons attribué une symétrie bien définie à chaque partie du spectre, permettant une compréhension plus profonde du système. Cette étude constitue un pas en avant vers des montages expérimentaux permettant de sélectionner un état de symétrie du mélange de spin choisi.

We have conducted an analytical and numerical investigation of observables for one-dimensional ultracold atomic spin mixtures with contact interaction between atoms. These particles can be either bosons, fermions, or a combination of both. The focus was on studying the strong repulsion regimes for their high correlation features. Furthermore, we have extensively explored the symmetry properties of the corresponding systems. We first analyzed the correlation properties of ultracold atomic gases trapped in a box-shaped potential. We examined both the case of identical particles and the more complex spin mixtures. Our findings demonstrate that the hardwalls of the trap have a significant impact on the tail of the momentum distribution. Specifically, we observed that the trap's discontinuity causes a breakdown of Tan's relation. As a result, the momentum distribution showcases an oscillatory tail, which we utilized to propose an experimental method for determining the state of a bosonic spin mixture. Then, we considered a spin mixtures model, which breaks the system's symmetry. Throughout joint correlations and symmetry analysis, we have exposed that even a slight symmetry breaking has a tremendous effect on the long-distance coherence of the system. Alongside this, we have provided an experimental protocol for realizing such a system. By this means, we suggest that new physical states can be engineered to encode information on the system. Finally, we moved to a more involving system of ring-shaped trapped bosonic mixtures with an artificial gauge field generated via the application of flux. We were able to obtain the exact solution for balanced mixtures as well as the corresponding spectrum. Thanks to the symmetry analysis, we have assigned a well-defined symmetry to each part of the spectrum, enabling a deeper understanding of the system. This investigation constitutes an engaging step toward experimental setups for selecting a chosen spin mixture symmetry state.