vendredi 9 septembre 2011 à 15h15
Résumé :
Le problème à N-corps quantique est au centre de quelques-uns des plus importants problèmes
ouverts de la physique moderne, comme le mécanisme de la supraconductivité à haute température
critique, ou le comportement des étoiles à neutrons. Les gaz quantiques ultrafroids sont
maintenant utilisés pour simuler des hamiltoniens modèles de la physique de la matière condensée
ou de la physique nucléaire, dans un environnement très bien contrôlé. Dans cette thèse, nous
avons développé une nouvelle méthode pour sonder la thermodynamique de systèmes quantiques
homogènes en utilisant des gaz ultrafroids piégés. Nos mesures peuvent être directement comparées
aux prédictions des théories du problème à N-corps quantique. Nous avons appliqué cette
technique au gaz de fermions à deux composantes de spin et au gaz de Bose atomique avec des
interactions à courte portée. Grâce au 6Li fermionique, nous avons exploré une partie de l’espace
de paramètres du système, en changeant la force des interactions, le désequilibre de population
de spin ou la température du gaz. Ce système présente une physique remarquablement riche,
avec une transition normale/superfluide (qui peut être de nature thermique ou quantique) ou un
comportement de type liquide de Fermi à basse température. Nous avons également utilisé cette
méthode pour sonder le gaz de Bose atomique, constitué d’atomes de 7Li au voisinage d’une
résonance de Feshbach. Nous avons mesuré l’équation d’état du gaz de bosons en fonction de la
force des interactions à très basse température et avons déterminé la première correction au-delà
du champ moyen, dite correction de Lee-Huang-Yang, à l’énergie de l’état fondamentale du système,
prédite pour la première fois en 1957. Nous avons comparé nos résultats à des simulations
Monte Carlo quantique. Nous avons étendu cette étude à la dynamique hors d’équilibre du gaz de
bosons en interaction forte, donnant une première indication sur les propriétés de l’hypothétique
gaz de Bose unitaire.
Abstract :
The quantum many-body problem is at the heart of some of the most formidable open problems
in modern physics, such as high-Tc superconductivity or the behaviour of neutron stars. Ultracold
atomic systems can now be used to simulate model Hamiltonians of condensed matter or nuclear
physics, in very well-controlled environnement. In this thesis, we have developed a general method
to probe the thermodynamics of homogeneous quantum systems using trapped atomic gases.
These measurements are directly compared to the predictions of theories of the quantum manybody
problem. We have applied this technique to the spin-1/2 Fermi gas and the Bose with
short-range interactions. Using fermionic 6Li, we explored a part of the wide parameter space
by changing the interaction strength, the spin-population imbalance or the temperature of the
gas. This system exhibits remarkably rich physics, such as normal/superfluid phase transitions
(that can be of thermal or quantum character) or a Fermi liquid-type behaviour of the normal
phase. We have also used this method to probe a Bose gas of 7Li atoms close to a Feshbach
resonance. We have measured the Equation of State of the Bose gas as a function of interactions
at very low temperature. For the first time, we measured quantitatively the Lee-Huang-Yang
beyond mean-field correction to the ground-state energy of the system, first predicted in 1957.
We compared the experimental results to Quantum Monte-Carlo calculations. We have extended
this study using out-of-equilibrium measurements of the Bose gas in the strongly interacting
regime, which gives a first hint on the properties of the hypothetical unitary Bose gas.
RECRUTEMENT ACCES DIRECT
Le département de physique
Le Laboratoire de Physique de l’ENS 