Thèse en cours

Imagerie en atomes individuels de matière quantique fortement corrélée : du gaz de Fermi unitaire aux états de Hall quantiques
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Auteur / Autrice : Joris Verstraten
Direction : Tarik Yefsah
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Physique
Date : Inscription en doctorat le 01/09/2020
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)

Résumé

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Cette thèse a pour problématique principale la meilleure compréhension de systèmes quantiques fortement corrélés à basse température. En particulier, les fermions fortement corrélés sont présents dans de nombreux systèmes : depuis le plasma de quark et de gluons des débuts de l'Univers jusqu'aux étoiles à neutrons, ils sont aussi au coeur de nombreux matériaux modernes tels que les supraconducteurs à haute température, les dispositifs à magnétorésistance colossale ou encore le graphène. Bien que constituant un problème apparaissant dans un large champ d'applications fondamentales et technologiques, la compréhension de fermions fortement corrélés représente un important défi de la physique moderne, et leur étude est souvent entravée par la complexité des systèmes mis en jeu. La contribution des expériences de gaz ultrafroids à cette quête de longue haleine repose dans la capacité à arranger les fermions dans un environnement bien contrôlé, où l'on peut ajouter une caractéristique supplémentaire à la fois (mélange d'états de spin différents, interactions, réseau optique, etc...), menant à une évolution progressive de la complexité du système, ce qui constitue un terrain de jeu idéal pour la comparaison directe aux théories à N corps. L'un des objectifs principaux de cette thèse est d'utiliser l'imagerie en atomes individuels de manière avantageuse pour sonder les fonctions de corrélation en densité (également résolues en spin) dans le cas du régime d'interactions fortes (ou régime unitaire). Ces corrélations sont généralement difficiles à obtenir pour des systèmes continus. Jusqu'ici, seules les corrélations de second ordre 〈n↑(0)n↓(r)〉 ont été mesurées, et ceci uniquement à courte distance r << 1/a, où 1/a est la distance inter-particules. A l'aide d'un microscope à gaz quantique comme celui qui devrait être installé sur notre expérience, nous serons en mesure d'accéder directement aux fonctions de corrélations jusqu'à l'ordre ~30 et pour des distances allant jusqu'à plusieurs dizaines de fois la distance inter-particules. Ces mesures devraient permettre, par exemple, de mettre en évidence l'apparition de corrélations fortes lors de la transition de la phase normale vers la phase superfluide, ou encore de révéler l'existence de de phases de matière exotiques prédites dans les gaz de Fermi avec un déséquilibre de spin. Le second sujet de cette thèse est l'exploration des propriétés topologiques de certaines phases, à savoir les états de Hall quantiques (EHQ). Cette thèse contribuera à développer une nouvelle manière de réaliser des EHQ et d'analyser directement leur répartition spatiale avec une résolution d'atomes individuels. Nous commencerons par créer un état de Hall quantique entier pour des fermions sans interactions, puis nous étudierons le célèbre état associé à la fonction d'onde de Laughlin, suspecté d'abriter des excitations anyoniques.