Sound propagation and quantum-limited damping in an ultracold two-dimensional Fermi gas
Propagation du son et atténuation à limite quantique dans un gaz de Fermi deux-dimensionnel ultrafroid
Résumé
Strongly correlated two-dimensional (2D) systems are a fascinating field of study. The reduced dimensionality should in principle impede phenomena such as Bose-Einstein condensation or superfluidity. Yet, evidence suggests that superfluidity and superconductivity are especially robust in 2D: In almost all known high Tc-supercondcutors, strongly correlated 2D structures and higher-partial-wave coupling seem to play a crucial role. In this thesis, we use ultracold homogeneous gases of lithium 6 with tunable interactions to perform analog quantum simulation of these captivating systems. As the main result of this thesis, I present the first measurements of the speed and attenuation of sound waves in ultracold 2D Fermi gases, which we use to probe the thermodynamic and transport properties of the gas. From the speed of sound, we extract the compressibility equation of state and compare it both to an independent static measurement and to quantum Monte Carlo calculations and find reasonable agreement between the three. The damping of the sound waves, which is determined by the shear and bulk viscosities as well as the thermal conductivity of the gas, exhibits a minimum in the strongly correlated regime. Here, the sound diffusivity approaches a universal quantum bound ~/m and the strongly correlated 2D Fermi gas thus realizes a nearly perfect fluid. In addition, I report on further related measurements performed in the course of this thesis, which were led by my coworkers N. Luick and L. Sobirey. We show that the 2D Fermi gas is phase coherent by realizing a Josephson junction in the homogeneous gas and observing Josephson oscillations between two reservoirs separated by a thin barrier. When the barrier height is reduced to zero, these oscillations transform smoothly into sound waves. By dragging a lattice though the homogeneous system at variable velocities, we observe a critical velocity for the creation of excitations, proving that the system is superfluid. Here, the sound velocity determines the critical velocity for a large range of interaction strengths. Finally, I present the characterization of a novel d-wave Feshbach resonance in ultracold potassium 40 via measurements of the inelastic loss rate L⁽²⁾ and via the dynamics of spin populations, led by my coworker T. Reimann. The experimental results are compared to theoretical predictions and we observe good agreement between the theoretical and experimental loss rates. The evolution of the spin populations is found to be consistent with the expected behavior for the theoretically predicted exit channel.
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.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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