Physique des gaz de fermions 1D : antiferromagnétisme quantique et transport de spin en 1D

Study of quasi-one-dimensional ultracold fermionic gases: quantum antiferromagnetism and spin transport in 1D

• Auteur / Autrice : Charlotte Farcot--delfini
• Direction : Frédéric Chevy
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure

Mots clés

Mots clés libres

Atomes ultrafroids

Fermions fortement corrélés

Magnétisme quantique

Transport de spin

Physique unidimensionnelle

Intégrabilité

Ultracold atoms

Strongly correlated fermions

Quantum magnetism

Spin transport

1D physics

Integrability

Résumé

Mon projet de doctorat étudie le magnétisme quantique et le transport de spin dans des systèmes 1D fortement corrélés, en utilisant des atomes fermioniques ultrafroids de 40K comme plateforme expérimentale propre et contrôlable. Les systèmes 1D présentent un intérêt particulier en raison de leurs fluctuations quantiques accrues, de leur comportement collectif émergent et de la présence de fortes corrélations sans équivalent direct en dimensions supérieures. Une caractéristique clé de ces systèmes est leur (quasi-)intégrabilité, qui peut fortement contraindre la thermalisation et conduire à une dynamique de relaxation non triviale – un aspect qui sera exploré expérimentalement et théoriquement tout au long de ce projet. La première partie du projet porte sur l'émergence d'un ferromagnétisme quantique itinérant – l'instabilité de Stoner – dans les gaz de Fermi 1D de spin 1/2 présentant des potentiels d'interaction pairs et impairs. Alors que le théorème de Lieb-Mattis interdit cette instabilité pour les interactions de contact purement pairs, cette restriction disparaît en présence de composantes impaires, étudiables avec le 40K, possédant des résonances de Feshbach voisines d'ondes s et p. En balayant ces résonances, nous cherchons à induire une transition de phase quantique vers un état ferromagnétique, possiblement observable via la formation de domaines de spin. Cette étude permettrait de mieux comprendre l'interaction entre symétrie d'interaction et magnétisme dans les systèmes de basse dimension. Le deuxième axe explore le transport et la relaxation de spin dans les gaz de Fermi 1D attractifs. Suivant un protocole expérimental de séparation de spin inspiré de l'expérience du groupe de Martin Zwierlein, l'étude de la recombinaison et collision de deux nuages de spin opposés en 1D sera étudiée afin d'étudier les différents régimes de transport de spin et la dynamique de diffusion du système. L'intégrabilité devrait jouer un rôle central ici, conduisant potentiellement à des régimes de transport anormaux tels que la superdiffusion, mise en évidence numériquement dans le cas de particules libres dans des systèmes quantiques 1D par Minguzzi et al (2022). En parallèle, un volet théorique du projet de thèse étudierait ce sujet, en s'appuyant sur les travaux initiés lors de mon stage de master, qui portent sur les collisions de spin en 1D et la dynamique de type KPZ dans les systèmes intégrables.

This PhD project investigates quantum magnetism and spin transport in 1D strongly correlated systems, using ultracold fermionic 40K atoms as a clean and controllable experimental platform. 1D systems are of particular interest due to their enhanced quantum fluctuations, emergent collective behavior, and the presence of strong correlations that have no direct analog in higher dimensions. A key feature of such systems is their (near-)integrability, which can strongly constrain thermalization and lead to nontrivial relaxation dynamics—an aspect that will be explored both experimentally and theoretically throughout this project. The first part of the project focuses on the emergence of itinerant ferromagnetism—the Stoner instability—in 1D spin-1/2 Fermi gases with both even- and odd-wave interaction potentials. While the Lieb-Mattis theorem forbids this instability for purely even-wave contact interactions, this restriction breaks down in the presence of odd-wave components, which can be studied with 40K, that possesses neighboring s- and p-wave Feshbach resonances. By scanning these resonances, we aim to induce a quantum phase transition toward a ferromagnetic state, observable via spin domain formation. This study would provide insight into the interplay between interaction symmetry and magnetism in low-dimensional systems. The second axis explores spin transport and relaxation in attractive 1D Fermi gases. Following a spin-dipole protocol inspired by the MIT experiment, spin-separated clouds will be recombined to probe the system's spin conductivity and diffusion dynamics. Integrability is expected to play a central role here, potentially leading to anomalous transport regimes such as superdiffusion or even ballistic propagation in certain limits. A theoretical component of the project investigates this, building on work initiated during my Master's internship in April 2025, which focuses on spin collisions and KPZ-type dynamics in integrable systems.