Appariement et modèle à deux fluides dans les systèmes quantiques de basse dimension

Pairing and two-fluid physics in low-dimensional quantum systems

• Auteur / Autrice : Lorenzo Gotta
• Direction : Guillaume Roux, Pascal Simon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique théorique et modèles statistiques (Orsay, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Guido Pupillo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karyn Le Hur, Oded Zilberberg, Jonathan Ruhman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karyn Le Hur, Oded Zilberberg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liquides quantiques

Superfluidité

Problème à N corps

Fermions

Mots clés libres

Superfluidité

Fluides quantiques

Simulateurs quantiques

Appariement

Superfluidity

Quantum fluids

Quantum simulators

Pairing

Résumé

Cette thèse traite des propriétés de l'état fondamental de systèmes quantiques à plusieurs corps de fermions sans spin qui présentent une formation d'états liés. Nous commençons par discuter des phénomènes d'appariement induits par les interactions densité-densité, montrant que l'extension de la portée de ces dernières peut conduire à l'observation des phases liquides de Luttinger exotiques avec des agrégats. Nous poursuivons par l'étude de l'appariement dans une chaîne unidimensionnelle des fermions sans spin où le saut d'une seule particule entre en compétition avec une interaction corrélée de sauts de paires. Nous dévoilons une nouvelle transition d'une phase liquide de Luttinger à couplage faible vers une phase liquide de Luttinger de paires. Celle-ci se produit à travers une phase intermédiaire où un liquide de fermions isolés coexiste avec un liquide de paires sans séparation de phase. Nous confirmons la stabilité de cette nouvelle phase de coexistence vis-à-vis d'une faible interaction densité-densité, qui induit plutôt une séparation de phase entre les fermions appariés et non appariés dans le régime de couplage fort. Enfin, nous généralisons le terme de saut de paire à un terme générique de saut de multimère, prouvant ainsi la robustesse de la phase de coexistence en tant que scénario de transition générique entre un liquide de Luttinger avec une granularité à une seule particule et un avec une granularité moléculaire. Nous concluons en montrant que les modèles de fermions sans spin présentant des sauts de paires peuvent héberger des états de type "cicatrices quantiques", ouvrant ainsi de nouvelles voies vers l'étude de la brisure d'ergodicité faible dans des systèmes quantiques isolés à N-corps.

The present thesis deals mainly with the ground-state properties of quantum many-body systems of spinless fermions that display bound-state formation. We start by discussing the pairing phenomena induced by density-density interactions, showing that extending the range of the latter can lead to the observation of exotic Luttinger liquid phases with cluster granularity. We continue the study of pairing in a one-dimensional chain of spinless fermions where single-particle hopping competes with a correlated pair-hopping interaction. We unveil a novel transition from a weak-coupling Luttinger liquid phase to a paired Luttinger liquid phase, that occurs through an intervening phase where a liquid of isolated fermions coexists with a liquid of pairs without phase separation. We confirm the stability of this novel coexistence phase against the addition of a weak nearest-neighbor density-density interaction, which is shown to induce instead phase separation between paired and unpaired fermions in the strong-coupling regime. Finally, we generalize the pair-hopping term to a generic multimer-hopping term, thereby proving the robustness of the coexistence phase as the generic transition scenario between a Luttinger liquid with single-particle granularity and one with molecular granularity. We conclude by showing that models of spinless fermions featuring pair-hopping can host quantum many-body scars, thus opening further routes towards the study of weak ergodicity breaking in isolated many-body quantum systems.