Theoretical and experimental study of spin-1 antiferromagnetic Bose-Einstein Condensates - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2014

Theoretical and experimental study of spin-1 antiferromagnetic Bose-Einstein Condensates

Etudes théoriques et expérimentales de condensats de spin 1 antiferromagnétiques

Abstract

In this thesis, we study theoretically and in experimentally the properties of spin-1 Bose-Einstein condensates with antiferromagnetic interactions realized in the ultra-cold sodium gases confined in optical dipole traps. We present in detail how to realize, diagnose and control the spinor Bose-Einstein condensates in our experiment. In order to describe the condensate, a mean-field theory is first adopted. This theory predicts a phase transition when changing the magnetic field $B$. The predictions of the mean-field theory agree very well with most of our experimental results, including the values of the critical magnetic field $B_c$, asymptotic values of $n_0$ (relative atom number in $m_F=0$ state) at large $B$ and the phase diagram of $n_0$. However, for small magnetization and small magnetic fields, we find abnormally large fluctuations (super-Poissonian) of $n_0$. In order to describe these large fluctuations, we develop a full quantum statistical description for the spinor condensate at finite temperature. To describe uncondensed thermal atoms (also present in the same trap), we use the ``semi-ideal" Hartree-Fock approximation to deal with the interactions between the condensate atoms and the thermal ones. The experimental results lead us to introduce two kinds of temperatures, the ``spin temperature" $T_s$ and the ``kinetic temperature" $T_k$ with $T_s\ll T_k$, characterizing respectively the fluctuaitons of the condensate spin and the thermal gas. We conclude that the system is reaching a quasi-equilibrium states, where different degrees of freedom reach equilibrium by separate mechanisms but where the mutual thermalization does not occur over the lifetime of the cloud.
Nous présentons en détail comment réaliser, analyser et contrôler de tels condensats spineurs. Afin de décrire le condensat, nous adoptons d'abord une théorie du champ moyen. Cette théorie prédit une transition de phase quand on change le champ magnétique $B$. Dans la plupart des cas, les prédictions par cette théorie du champ moyen s'accordent très bien avec la plupart des nos résultats expérimentaux, incluant les valeurs de champ magnétique critique Bc, les valeurs asymptotiques de $n_0$ (nombre d'atome relative en état $m_F=0$) en grand B et le diagramme de phase de n0. Cependant, pour des magnétisations faibles et des champs magnétiques petits, nous constatons des fluctuations anormalement grandes (super-Poissoniennes) des populations des états Zeeman individuels. Pour comprendre leur origine et décrire ces systèmes fluctuants, nous développons une description statistique quantique des condensat spineur à température finie. Pour décrire le nuage thermique présent également dans le piège, nous utilisons l'approximation ``Hartree-Fock semi-idéale" pour traiter les interactions entre les condensats et les nuages thermiques. Les résultats expérimentaux nous amènent à introduire deux types des températures: la ``température de spin" T_s et la ``température cinétique" T_k$, avec $T_s\ll T_k$, qui caractérisent les fluctuations du spin du condensat et le nuage thermique, respectivement. On en conclut que le système se trouve dans un état de quasi-équilibre , ou différents degrés de liberté s'équilibrent séparément mais leur thermalisation mutuelle ne s'opère pas sur la durée de vie du système.
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Dates and versions

tel-01104387 , version 1 (16-01-2015)

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  • HAL Id : tel-01104387 , version 1

Cite

Lingxuan Shao. Theoretical and experimental study of spin-1 antiferromagnetic Bose-Einstein Condensates. Quantum Gases [cond-mat.quant-gas]. Ecole Normale Supérieure, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01104387⟩
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