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Cohérence, brouillage et dynamique de phase dans un condensat de fermions appariés

Hadrien Kurkjian

Published May 19, 2016• 0 citations
OpenAlex

Abstract

It is generally assumed that a condensate of paired fermions at equilibrium is characterized by a macroscopic wavefunction with a well-defined, immutable phase. In reality, all systems have a finite size and are prepared at non-zero temperature; the condensate has then a finite coherence time, even when the system is isolated. This fundamental effect, crucial for applications using macroscopic coherence, was scarcely studied. Here, we link the coherence time to the condensate phase dynamics, and show using a microscopic theory that the time derivative of the condensate phase operator $\hat{\theta}_0$ is proportional to a chemical potential operator which includes both the fermionic pair-breaking and the bosonic pair-motion excitation branches. For a given realization of the number of particle $N$ and of the energy $E$, the phase evolves at long times as $-2\mu_{mc}(E,N) t/\hbar$ where $\mu_{mc}(E,N)$ is the microcanonical chemical potential; fluctuations of $N$ and $E$ from one realization to the other then lead to a ballistic spreading of the phase and to a Gaussian decay of the temporal coherence function with a characteristic time $\propto N^{1/2}$.On the contrary, in the absence of energy and number fluctuations, the decay of the temporal coherence function is exponential with a characteristic time scaling as $N$ due to the diffusive motion of $\hat{\theta}_0$ in the environnement created by the excited modes. We give an explict expression of this characteristic time at low temperature in the case where the bosonic branch is convex and the phonons undergo $2 \leftrightarrow 1$ Beliaev-Landau process. Finally, we propose methods to measure each contribution to the coherence time using ultracold atoms.

Related papers

Phase spreading and temporal coherence of a pair-condensed Fermi gas at low temperature

Yvan Castin

A condensate of pairs in an isolated, homogeneous, unpolarised, finite-size spin 1/2 Fermi gas at low nonzero temperature T, undergoes with time a phase change with a random component, due to coupling to the gas thermal phonons. With the quantum second Josephson relation relating the derivative of the condensate phase operator to the phonon occupation numbers, and linearised kinetic equations giving the evolution of occupation number fluctuations, we access the behaviour of the phase change variance at times much longer than the phonon collision time. The case of a convex phonon branch is similar to the Bose gas case: the leading collisional processes are the Beliaev-Landau 3-phonons processes, and the variance is the sum of a ballistic term and of a delayed diffusive term, whose analytical expressions are given in the thermodynamic limit. The concave case is more exotic. It is analysed at time scales $T^{-9}$, allowing one to restrict to 2 phonons $\rightarrow$ 2 phonons small-angle Landau-Khalatnikov processes. The total number of phonons is conserved and the phonon mean occupation numbers at equilibrium can exhibit a negative chemical potential, assumed isotropic. The phase change variance is then the sum of a ballistic term, of a diffusive term, of exotic subsubleading terms and of a constant term. The analytic expression of some of the corresponding coefficients is obtained, as well as the diverging leading behavior of the other ones when the phonon chemical potential tends to 0. When this chemical potential is 0, the variance sub-ballistic part becomes superdiffusive, with an exponent 5/3 and an exactly-known coefficient. For a nonzero infinitesimal phonon chemical potential, a law is found, interpolating between superdiffusive and diffusive phase spreading. Also new results are obtained on the phonon Landau-Khalatnikov damping rate, in particular at negative phonon chemical potential.

arXiv:1807.10476•Jul 27, 2018•0 citations

Cohérence, brouillage et dynamique de phase dans un condensat de paires de fermions

Hadrien Kurkjian

On considère généralement que la fonction d’onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n’existe que des systèmes de taille finie, préparés à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système est isolé. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique, restait très peu étudié.Dans cette thèse, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons par une approche microscopique que la dérivée temporelle de l’opérateur phase ˆθ0 est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique qui inclut les deux branches d’excitations du gaz : celle, fermionique, de brisure des paires et celle, bosonique, de mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée de l’énergie E et du nombre de particules N, la phase évolue aux temps longs comme −2μmc(E,N)t/~ où μmc(E,N) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de E et de N d’une réalisation à l’autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N1/2. En l’absence de telles fluctuations, la décroissance est au contraire exponentielle avec un temps de cohérence qui diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de ˆθ0 dans l’environnement des modes excités. Nous donnons une expression explicite de ce temps caractéristique à bassetempérature dans le cas d’une branche d’excitation bosonique convexe lorsque les phonons interagissent via les processus 2 ↔ 1 de Beliaev-Landau. Enfin, nous proposons des méthodes permettant de mesurer avec un gaz d’atomes froids chaque contribution au temps de cohérence

•May 19, 2016•7 citations

Coherence, blurring and phase dynamics in a pair-condensed Fermi gas

Hadrien Kurkjian

On considère généralement que la fonction d’onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n’existe que des systèmes de taille finie, préparés à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système est isolé. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique, restait très peu étudié.Dans cette thèse, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons par une approche microscopique que la dérivée temporelle de l’opérateur phase ˆθ0 est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique qui inclut les deux branches d’excitations du gaz : celle, fermionique, de brisure des paires et celle, bosonique, de mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée de l’énergie E et du nombre de particules N, la phase évolue aux temps longs comme −2μmc(E,N)t/~ où μmc(E,N) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de E et de N d’une réalisation à l’autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N1/2. En l’absence de telles fluctuations, la décroissance est au contraire exponentielle avec un temps de cohérence qui diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de ˆθ0 dans l’environnement des modes excités. Nous donnons une expression explicite de ce temps caractéristique à bassetempérature dans le cas d’une branche d’excitation bosonique convexe lorsque les phonons interagissent via les processus 2 ↔ 1 de Beliaev-Landau. Enfin, nous proposons des méthodes permettant de mesurer avec un gaz d’atomes froids chaque contribution au temps de cohérence

•May 19, 2016•0 citations

Coherence time of a Bose-Einstein condensate

Alice Sinatra, Yvan Castin, Emilia Witkowska

Temporal coherence is a fundamental property of macroscopic quantum systems, such as lasers in optics and Bose-Einstein condensates in atomic gases and it is a crucial issue for interferometry applications with light or matter waves. Whereas the laser is an ``open'' quantum system, ultracold atomic gases are weakly coupled to the environment and may be considered as isolated. The coherence time of a condensate is then intrinsic to the system and its derivation is out of the frame of laser theory. Using quantum kinetic theory, we predict that the interaction with noncondensed modes gradually smears out the condensate phase, with a variance growing as $\mathcal{A}{t}^{2}+\mathcal{B}t+\mathcal{C}$ at long times $t$, and we give a quantitative prediction for $\mathcal{A}$, $\mathcal{B}$, and $\mathcal{C}$. Whereas the coefficient $\mathcal{A}$ vanishes for vanishing energy fluctuations in the initial state, the coefficients $\mathcal{B}$ and $\mathcal{C}$ are remarkably insensitive to these fluctuations. The coefficient $\mathcal{B}$ describes a diffusive motion of the condensate phase that sets the ultimate limit to the condensate coherence time. We briefly discuss the possibility to observe the predicted phase spreading, also including the effect of particle losses.

arXiv:0907.1025•Physical Review A•Sep 16, 2009•37 citations

Brouillage thermique d'un gaz cohérent de fermions

Hadrien Kurkjian, Yvan Castin, Alice Sinatra

On considère généralement que la fonction d'onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n'existe que des systèmes de taille finie, préparés, qui plus est, à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système demeure isolé tout au long de son évolution et que le nombre de particules N est fixé. La mémoire de la phase initiale se perd à mesure que le condensat interagit avec les modes excités, qui agissent comme un environnement déphasant. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique du condensat de paires, reste très peu étudié. Dans cet article, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons, par une approche microscopique, que la dérivée de l'opérateur phase du condensat θ ˆ 0 par rapport au temps est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique que nous construisons, et qui inclut les deux branches d'excitations du gaz, tant par brisure des paires que par mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée d'énergie E , θ ˆ 0 évolue aux temps longs comme − 2 μ mc ( E ) t / ħ , où μ mc ( E ) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de l'énergie d'une réalisation à l'autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N 1 / 2 . En revanche, en l'absence de fluctuations d'énergie, le temps de cohérence diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de θ ˆ 0 . Enfin, nous proposons une méthode permettant de mesurer avec un gaz d'atomes froids ce temps de cohérence, que nous prédisons être de l'ordre de la dizaine de millisecondes pour un gaz de fermions préparé dans l'ensemble canonique à la limite unitaire.

arXiv:1502.05644•Comptes Rendus Physique•Apr 18, 2016•18 citations

Spatial and temporal coherence of a Bose-condensed gas

Yvan Castin, Alice Sinatra

The central problem of this chapter is temporal coherence of a three-dimensional spatially homogeneous Bose-condensed gas, initially prepared at finite temperature and then evolving as an isolated interacting system. A first theoretical tool is a number-conserving Bogoliubov approach that allows to describe the system as a weakly interacting gas of quasi-particles. This approach naturally introduces the phase operator of the condensate: a central actor since loss of temporal coherence is governed by the spreading of the condensate phase-change. A second tool is the set of kinetic equations describing the Beliaev-Landau processes for the quasi-particles. We find that in general the variance of the condensate phase-change at long times $t$ is the sum of a ballistic term $\propto t^2$ and a diffusive term $\propto t$ with temperature and interaction dependent coefficients. In the thermodynamic limit, the diffusion coefficient scales as the inverse of the system volume. The coefficient of $t^2$ scales as the inverse volume squared times the variance of the energy of the system in the initial state and can also be obtained by a quantum ergodic theory (the so-called eigenstate thermalisation hypothesis).

•Mar 1, 2012•0 citations
It is generally assumed that a condensate of paired fermions at equilibrium is characterized by a macroscopic wavefunction with a well-defined, immutable phase. In reality, all systems have a finite size and are prepared at non-zero temperature; the condensate has then a finite coherence time, even when the system is isolated. This fundamental effect, crucial for applications using macroscopic coherence, was scarcely studied. Here, we link the coherence time to the condensate phase dynamics, and show using a microscopic theory that the time derivative of the condensate phase operator θ^0\hat{\theta}_0θ^0​ is proportional to a chemical potential operator which includes both the fermionic pair-breaking and the bosonic pair-motion excitation branches. For a given realization of the number of particle NNN and of the energy EEE, the phase evolves at long times as −2μmc(E,N)t/ℏ-2\mu_{mc}(E,N) t/\hbar−2μmc​(E,N)t/ℏ where μmc(E,N)\mu_{mc}(E,N)μmc​(E,N) is the microcanonical chemical potential; fluctuations of NNN and EEE from one realization to the other then lead to a ballistic spreading of the phase and to a Gaussian decay of the temporal coherence function with a characteristic time ∝N1/2\propto N^{1/2}∝N1/2.On the contrary, in the absence of energy and number fluctuations, the decay of the temporal coherence function is exponential with a characteristic time scaling as NNN due to the diffusive motion of θ^0\hat{\theta}_0θ^0​ in the environnement created by the excited modes. We give an explict expression of this characteristic time at low temperature in the case where the bosonic branch is convex and the phonons undergo 2↔12 \leftrightarrow 12↔1 Beliaev-Landau process. Finally, we propose methods to measure each contribution to the coherence time using ultracold atoms.
A condensate of pairs in an isolated, homogeneous, unpolarised, finite-size spin 1/2 Fermi gas at low nonzero temperature T, undergoes with time a phase change with a random component, due to coupling to the gas thermal phonons. With the quantum second Josephson relation relating the derivative of the condensate phase operator to the phonon occupation numbers, and linearised kinetic equations giving the evolution of occupation number fluctuations, we access the behaviour of the phase change variance at times much longer than the phonon collision time. The case of a convex phonon branch is similar to the Bose gas case: the leading collisional processes are the Beliaev-Landau 3-phonons processes, and the variance is the sum of a ballistic term and of a delayed diffusive term, whose analytical expressions are given in the thermodynamic limit. The concave case is more exotic. It is analysed at time scales T−9T^{-9}T−9, allowing one to restrict to 2 phonons →\rightarrow→ 2 phonons small-angle Landau-Khalatnikov processes. The total number of phonons is conserved and the phonon mean occupation numbers at equilibrium can exhibit a negative chemical potential, assumed isotropic. The phase change variance is then the sum of a ballistic term, of a diffusive term, of exotic subsubleading terms and of a constant term. The analytic expression of some of the corresponding coefficients is obtained, as well as the diverging leading behavior of the other ones when the phonon chemical potential tends to 0. When this chemical potential is 0, the variance sub-ballistic part becomes superdiffusive, with an exponent 5/3 and an exactly-known coefficient. For a nonzero infinitesimal phonon chemical potential, a law is found, interpolating between superdiffusive and diffusive phase spreading. Also new results are obtained on the phonon Landau-Khalatnikov damping rate, in particular at negative phonon chemical potential.
On considère généralement que la fonction d’onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n’existe que des systèmes de taille finie, préparés à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système est isolé. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique, restait très peu étudié.Dans cette thèse, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons par une approche microscopique que la dérivée temporelle de l’opérateur phase ˆθ0 est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique qui inclut les deux branches d’excitations du gaz : celle, fermionique, de brisure des paires et celle, bosonique, de mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée de l’énergie E et du nombre de particules N, la phase évolue aux temps longs comme −2μmc(E,N)t/~ où μmc(E,N) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de E et de N d’une réalisation à l’autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N1/2. En l’absence de telles fluctuations, la décroissance est au contraire exponentielle avec un temps de cohérence qui diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de ˆθ0 dans l’environnement des modes excités. Nous donnons une expression explicite de ce temps caractéristique à bassetempérature dans le cas d’une branche d’excitation bosonique convexe lorsque les phonons interagissent via les processus 2 ↔ 1 de Beliaev-Landau. Enfin, nous proposons des méthodes permettant de mesurer avec un gaz d’atomes froids chaque contribution au temps de cohérence
On considère généralement que la fonction d’onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n’existe que des systèmes de taille finie, préparés à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système est isolé. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique, restait très peu étudié.Dans cette thèse, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons par une approche microscopique que la dérivée temporelle de l’opérateur phase ˆθ0 est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique qui inclut les deux branches d’excitations du gaz : celle, fermionique, de brisure des paires et celle, bosonique, de mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée de l’énergie E et du nombre de particules N, la phase évolue aux temps longs comme −2μmc(E,N)t/~ où μmc(E,N) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de E et de N d’une réalisation à l’autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N1/2. En l’absence de telles fluctuations, la décroissance est au contraire exponentielle avec un temps de cohérence qui diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de ˆθ0 dans l’environnement des modes excités. Nous donnons une expression explicite de ce temps caractéristique à bassetempérature dans le cas d’une branche d’excitation bosonique convexe lorsque les phonons interagissent via les processus 2 ↔ 1 de Beliaev-Landau. Enfin, nous proposons des méthodes permettant de mesurer avec un gaz d’atomes froids chaque contribution au temps de cohérence
Temporal coherence is a fundamental property of macroscopic quantum systems, such as lasers in optics and Bose-Einstein condensates in atomic gases and it is a crucial issue for interferometry applications with light or matter waves. Whereas the laser is an ``open'' quantum system, ultracold atomic gases are weakly coupled to the environment and may be considered as isolated. The coherence time of a condensate is then intrinsic to the system and its derivation is out of the frame of laser theory. Using quantum kinetic theory, we predict that the interaction with noncondensed modes gradually smears out the condensate phase, with a variance growing as At2+Bt+C\mathcal{A}{t}^{2}+\mathcal{B}t+\mathcal{C}At2+Bt+C at long times ttt, and we give a quantitative prediction for A\mathcal{A}A, B\mathcal{B}B, and C\mathcal{C}C. Whereas the coefficient A\mathcal{A}A vanishes for vanishing energy fluctuations in the initial state, the coefficients B\mathcal{B}B and C\mathcal{C}C are remarkably insensitive to these fluctuations. The coefficient B\mathcal{B}B describes a diffusive motion of the condensate phase that sets the ultimate limit to the condensate coherence time. We briefly discuss the possibility to observe the predicted phase spreading, also including the effect of particle losses.
On considère généralement que la fonction d'onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n'existe que des systèmes de taille finie, préparés, qui plus est, à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système demeure isolé tout au long de son évolution et que le nombre de particules N est fixé. La mémoire de la phase initiale se perd à mesure que le condensat interagit avec les modes excités, qui agissent comme un environnement déphasant. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique du condensat de paires, reste très peu étudié. Dans cet article, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons, par une approche microscopique, que la dérivée de l'opérateur phase du condensat θ ˆ 0 par rapport au temps est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique que nous construisons, et qui inclut les deux branches d'excitations du gaz, tant par brisure des paires que par mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée d'énergie E , θ ˆ 0 évolue aux temps longs comme − 2 μ mc ( E ) t / ħ , où μ mc ( E ) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de l'énergie d'une réalisation à l'autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N 1 / 2 . En revanche, en l'absence de fluctuations d'énergie, le temps de cohérence diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de θ ˆ 0 . Enfin, nous proposons une méthode permettant de mesurer avec un gaz d'atomes froids ce temps de cohérence, que nous prédisons être de l'ordre de la dizaine de millisecondes pour un gaz de fermions préparé dans l'ensemble canonique à la limite unitaire.
The central problem of this chapter is temporal coherence of a three-dimensional spatially homogeneous Bose-condensed gas, initially prepared at finite temperature and then evolving as an isolated interacting system. A first theoretical tool is a number-conserving Bogoliubov approach that allows to describe the system as a weakly interacting gas of quasi-particles. This approach naturally introduces the phase operator of the condensate: a central actor since loss of temporal coherence is governed by the spreading of the condensate phase-change. A second tool is the set of kinetic equations describing the Beliaev-Landau processes for the quasi-particles. We find that in general the variance of the condensate phase-change at long times ttt is the sum of a ballistic term ∝t2\propto t^2∝t2 and a diffusive term ∝t\propto t∝t with temperature and interaction dependent coefficients. In the thermodynamic limit, the diffusion coefficient scales as the inverse of the system volume. The coefficient of t2t^2t2 scales as the inverse volume squared times the variance of the energy of the system in the initial state and can also be obtained by a quantum ergodic theory (the so-called eigenstate thermalisation hypothesis).