Vers la réalisation expérimentale d'un gas de fermions à une dimension en interactions fortes Cette thèse décrit les récents résultats de l’expérience FerMix, expérience dédiée à l’étude des systèmes fermioniques quantiques à N corps à ultra basse température. Pour cela, des ensembles d’atomes de ⁴⁰K sont utilisés. Nous présentons ici deux principaux résultats. En premier lieu, nous décrivons le dispositif expérimental ainsi que les étapes menant à la préparation d’un gaz fermionique fortement dégénéré composé de 1.5×10⁴ atomes de ⁴⁰K à une température de T/TF = 0.14, soit juste en-dessous de la température critique de superfluidité. En second lieu, nous rapportons nos progrès pour explorer le croisement dimensonnel entre les liquides de Tomonaga- Luttinger à 1D et ceux de Landau-Fermi à 3D. Pour ce faire, nous confinons notre gaz de Fermi ultrafroid au sein d’un réseau optique 2D à grand pas. Après la description du dispositif utilisé et la caractérisation du potentiel périodique, nous discutons de la stratégie mise en oeuvre pour transférer les atomes dans le réseau 1D puis au sein de l’onde stationnaire 2D. Le chargement du réseau 1D représente l’accomplissement final présenté dans ce manuscrit : la réalisation d’un gaz de Fermi dégénéré à deux dimensions, composé de 250 atomes par état de spin et à une témperature de T/TF = 0.34.
Vers la réalisation expérimentale d'un gas de fermions à une dimension en interactions fortes Cette thèse décrit les récents résultats de l’expérience FerMix, expérience dédiée à l’étude des systèmes fermioniques quantiques à N corps à ultra basse température. Pour cela, des ensembles d’atomes de ⁴⁰K sont utilisés. Nous présentons ici deux principaux résultats. En premier lieu, nous décrivons le dispositif expérimental ainsi que les étapes menant à la préparation d’un gaz fermionique fortement dégénéré composé de 1.5×10⁴ atomes de ⁴⁰K à une température de T/TF = 0.14, soit juste en-dessous de la température critique de superfluidité. En second lieu, nous rapportons nos progrès pour explorer le croisement dimensonnel entre les liquides de Tomonaga- Luttinger à 1D et ceux de Landau-Fermi à 3D. Pour ce faire, nous confinons notre gaz de Fermi ultrafroid au sein d’un réseau optique 2D à grand pas. Après la description du dispositif utilisé et la caractérisation du potentiel périodique, nous discutons de la stratégie mise en oeuvre pour transférer les atomes dans le réseau 1D puis au sein de l’onde stationnaire 2D. Le chargement du réseau 1D représente l’accomplissement final présenté dans ce manuscrit : la réalisation d’un gaz de Fermi dégénéré à deux dimensions, composé de 250 atomes par état de spin et à une témperature de T/TF = 0.34.
Cette thèse décrit les récents résultats de l’expérience FerMix, expérience dédiée à l’étude des systèmes fermioniques quantiques à N corps à ultra basse température. Pour cela, des ensembles d’atomes de ⁴⁰K sont utilisés. Nous présentons ici deux principaux résultats. En premier lieu, nous décrivons le dispositif expérimental ainsi que les étapes menant à la préparation d’un gaz fermionique fortement dégénéré composé de 1.5×10⁴ atomes de ⁴⁰K à une température de T/TF = 0.14, soit juste en-dessous de la température critique de superfluidité. En second lieu, nous rapportons nos progrès pour explorer le croisement dimensonnel entre les liquides de Tomonaga- Luttinger à 1D et ceux de Landau-Fermi à 3D. Pour ce faire, nous confinons notre gaz de Fermi ultrafroid au sein d’un réseau optique 2D à grand pas. Après la description du dispositif utilisé et la caractérisation du potentiel périodique, nous discutons de la stratégie mise en oeuvre pour transférer les atomes dans le réseau 1D puis au sein de l’onde stationnaire 2D. Le chargement du réseau 1D représente l’accomplissement final présenté dans ce manuscrit : la réalisation d’un gaz de Fermi dégénéré à deux dimensions, composé de 250 atomes par état de spin et à une témperature de T/TF = 0.34.
Dynamique de spin résonnante et croisements dimensionnels 3D-1D dans les gaz de Fermi ultra-froids L’exploration de systèmes quantiques à N corps fortement corrélés représente l’un des domaines de recherche les plus stimulants de la physique contemporaine. Au cours des trente dernières années, les vapeurs diluées d’atomes neutres en suspension dans le vide et contrôlées par un laser sont devenues une plate-forme polyvalente et formidable pour l’étude de tels systèmes. L’intérêt principal réside dans la capacité d’ajuster arbitrairement la force de l’interaction atomique au moyen de résonances de Feshbach induites magnétiquement, ainsi que la possibilité de créer une large gamme de potentiels via des champs optiques précisément adaptés. Cette thèse présente les résultats récents de l’expérience FerMix, consacrée à l’étude des systèmes quantiques à plusieurs corps fermioniques à des températures ultra-basses utilisant les atomes alcalins 40K et 6Li. Les principaux résultats présentés dans ce texte sont doubles. Premièrement, nous rapportons la caractérisation expérimentale d’une nouvelle résonance de Feshbach (s,d)-wave du 40K, dont les résultats sont comparés aux prédictions théoriques correspondantes. En particulier, le spectre du taux de perte inélastique est déterminé pour différentes températures et profondeurs de piège, ce qui nous permet d’identifier les pertes en tant que processus à deux corps. De plus, il est confirmé que le canal d’entrée dominant est de type s-wave. À l’aide de modèles d’équation de taux, nous analysons le réchauffement observé de l’ensemble atomique et trouvons que le comportement est cohérent avec l’état lié prévu L = 2 présent dans le canal de sortie. Enfin, nous étudions expérimentalement la dynamique des populations de spin induite par les collisions inélastiques renforcées par résonance dans l’onde d, en observant un bon accord avec nos modèles numériques. En second lieu, nous résumons nos progrès dans l’étude des croisements dimensionnels entre le liquide de Tomonaga-Luttinger en 1D et le liquide de Landau-Fermi en 3D en utilisant les gaz de Fermi de 40K confinés dans un réseau optique à grand pas. Cela inclut à la fois les considérations de conception fondamentales et l’installation du matériel expérimental requis.
L’exploration de systèmes quantiques à N corps fortement corrélés représente l’un des domaines de recherche les plus stimulants de la physique contemporaine. Au cours des trente dernières années, les vapeurs diluées d’atomes neutres en suspension dans le vide et contrôlées par un laser sont devenues une plate-forme polyvalente et formidable pour l’étude de tels systèmes. L’intérêt principal réside dans la capacité d’ajuster arbitrairement la force de l’interaction atomique au moyen de résonances de Feshbach induites magnétiquement, ainsi que la possibilité de créer une large gamme de potentiels via des champs optiques précisément adaptés. Cette thèse présente les résultats récents de l’expérience FerMix, consacrée à l’étude des systèmes quantiques à plusieurs corps fermioniques à des températures ultra-basses utilisant les atomes alcalins 40K et 6Li. Les principaux résultats présentés dans ce texte sont doubles. Premièrement, nous rapportons la caractérisation expérimentale d’une nouvelle résonance de Feshbach (s,d)-wave du 40K, dont les résultats sont comparés aux prédictions théoriques correspondantes. En particulier, le spectre du taux de perte inélastique est déterminé pour différentes températures et profondeurs de piège, ce qui nous permet d’identifier les pertes en tant que processus à deux corps. De plus, il est confirmé que le canal d’entrée dominant est de type s-wave. À l’aide de modèles d’équation de taux, nous analysons le réchauffement observé de l’ensemble atomique et trouvons que le comportement est cohérent avec l’état lié prévu L = 2 présent dans le canal de sortie. Enfin, nous étudions expérimentalement la dynamique des populations de spin induite par les collisions inélastiques renforcées par résonance dans l’onde d, en observant un bon accord avec nos modèles numériques. En second lieu, nous résumons nos progrès dans l’étude des croisements dimensionnels entre le liquide de Tomonaga-Luttinger en 1D et le liquide de Landau-Fermi en 3D en utilisant les gaz de Fermi de 40K confinés dans un réseau optique à grand pas. Cela inclut à la fois les considérations de conception fondamentales et l’installation du matériel expérimental requis.
Le comportement des gaz de Fermi en basse dimension se distingue sensiblement de leurs équivalents tridimensionnels. En trois dimensions et en l'absence d'ordre, la majorité des états fermioniques de la matière sont décrits par la théorie du liquide de Landau-Fermi. Dans son cadre, le système est décrit comme un gaz de quasiparticules fermioniques en interaction faible, voire nulle. En revanche, dans le cas unidimensionnel, le spectre du système à basses énergies est entièrement déterminé par des excitations collectives de nature bosonique. Cette thèse décrit l'étude expérimentale des gaz de Fermi en basse dimension en utilisant des atomes de ⁴⁰K. Nous présentons ici trois principaux résultats. Tout d'abord, nous mettons en évidence l'implémentation de techniques nouvelles pour charger et imager individuellement des échantillons d'atomes dans un réseau optique bidimensionnel à espacement large. Ensuite, en utilisant des gaz idéaux, nous conduisons une étude quantitative de profiles de densité in-situ obtenus dans un potentiel externe préalablement calibré pour quantifier le degré de dégénérescence et la dimensionnalité des échantillons préparés. Nous rapportons l'observation de gaz de Fermi dans le régime unidimensionnel. Finalement, nous développons une technique pour séparer et isoler les deux populations de spin d'un gaz de Fermi et l'appliquons pour étudier le transport de spin en présence d'interactions fortes. Nous analysons quantitativement la relaxation du mode dipolaire dans le régime diffusif en fonction de l'intensité des interactions en se plaçant au voisinage d'une résonance de Feshbach en onde s. Nous déterminons la force de traînée ainsi que le coefficient de diffusivité. La valeur minimale mesurée de ce dernier respecte la limite quantique malgré l'absence d'invariance d'échelle dans le système. Ce dernier résultat s'ajoute au corpus de connaissance existante issue de précédentes études expérimentales réalisées avec des gaz de Fermi en deux et trois dimensions.
Vers une imagerie à atome unique du gaz de Fermi unitaire Cette thèse présente une expérience de nouvelle génération dédiée à l'étude de gaz quantique 6Li, dotée de vastes capacités et visant à étudier les propriétés microscopiques d'un gas de Fermi à fortes interactions au voisinage et sous le seuil de la transition suerfluide. Sur ce dispositif, nous sommes parvenus à refroidir les atomes 6Li jusqu'à un état fortement dégénéré grâce à une séquence de refroidissment d'une durée de 13 s. Avec un réseau optique correctement caractérisé et d'un microscope à haute résolution, le montage a été préparé pour enregistrer des images de fluorescence à l'échelle de l'atome individuel. Cette expérience sera un puissant outil pour l'étude des corrélations dans les systèmes de Fermi en fortes interactions. En combinaison avec des potentiels optiques correctement ajustés, nous pouvons étendre nos measures à des gas homogénes et à la recherche de phases superfluides avec différentes populations de spins.
Propagation du son et atténuation à limite quantique dans un gaz de Fermi deux-dimensionnel ultrafroid Les systèmes bi-dimensionnels fortement corrélés sont captivants. À cause de la dimensionnalité réduite, des fluctuations thermiques empêchent un vrai ordre à longue portée et devraient donc entraver des phénomènes comme la condensation Bose-Einstein ou la superfluidité. Malgré cela, la superfluditié et la supraconductivité semblent particulièrement robustes en 2D : Dans presque tous les supraconducteurs à haute température critique les structures 2D ainsi que le couplage en onde d semblent jouer un rôle central. Dans cette thèse, nous utilisons des gaz de lithium 6 ultrafroids et homogènes avec des interactions ajustables pour effectuer des simulations quantiques explorant certaines propriétés de ces systèmes fascinants. Comme résultat principal, je présente les premières mesures de la vitesse et de l’atténuation du son dans un gaz de Fermi 2D ultrafroid, que nous utilisons pour étudier des propriétés thermodynamiques et les coefficients de transport du gaz. La vitesse du son nous permet d’extraire la compressibilité du gaz et nous obtenons un accord raisonnable avec la valeur mesurée indépendamment dans un système statique ou calculée à partir de simulations Monte-Carlo quantiques. L’atténuation des ondes sonores est déterminée par la viscosité et la conductivité thermique du gaz, et approche un minimum dans le régime fortement corrélé. Ce minimum correspond à une limite quantique universelle ~/m pour la diffusivité du son. Le gaz de Fermi 2D fortement corrélé représente donc un fluide quasi-parfait. En outre, je rends compte de deux autres expériences qui ont été réalisées dans le cadre de cette thèse, menées principalement par mes collègues N. Luick et L. Sobirey. Premièrement, nous réalisons une jonction de Josephson en séparant le gaz en deux réservoirs à l’aide d’un laser induisant une fine barrière de potentiel répulsive. Nous observons des oscillations de Josephson entre les deux réservoirs démontrant la cohérence de phase du gaz de Fermi 2D. En réduisant la hauteur de la barrière, ces oscillations sont progressivement transformées en ondes sonores. Dans la deuxième expérience, nous déplaçons un réseau optique à travers le gaz à des vitesses ajustables. Nous observons une vitesse critique pour la création d’excitations, prouvant que le gaz de Fermi 2D est superfluide. La vitesse critique est déterminée par la vitesse du son sur un grand domaine d’interactions. Finalement, je présente la caractérisation d’une nouvelle résonance Feshbach en onde d dans du potassium 40 ultrafroid, un projet qui a été mené principalement par mon collègue T. Reimann. Nous mesurons le taux de pertes inélastiques L⁽²⁾ et l’évolution des populations de spins et nous les comparons à des prédictions théoriques. Nous trouvons un bon accord entre théorie et expérience pour le taux de pertes. L’évolution des populations des spins est compatible avec le comportement prédit par la théorie.