Mixtures of ultracold gases: Fermi sea and Bose-Einstein condensate of Lithium isotopes
Résumé
This thesis presents studies of quantum degenerate atomic gases of fermionic $^6$Li and bosonic $^7$Li. Degeneracy is reached by evaporative cooling of $^7$Li in a strongly confining magnetic trap. Since at low temperatures direct evaporative cooling is not possible for a polarized fermionic gas, $^6$Li is sympathetically cooled by thermal contact with $^7$Li. In a first series of experiments both isotopes are trapped in their low-field seeking higher hyperfine states. A Fermi degeneracy of $T/T_F=0.25(5)$ is achieved for $10^5$ fermions. For more than $\sim 300$ atoms, the $^7$Li condensate collapses, due to the attractive interatomic interaction in this state. This limits the degeneracy reached for both species. To overcome this limit, in a second series of experiments $^7$Li and $^6$Li atoms are transferred to their low field seeking lower hyperfine states, where the boson-boson interaction is repulsive but weak. The inter-isotope collisions are used to thermalize the mixture. A $^7$Li Bose-Einstein condensate (BEC) of $10^4$ atoms immersed in a Fermi sea is produced. The BEC is quasi-one-dimensional and the thermal fraction can be negligible. The measured degeneracies are $T/T_C=T/T_F=0.2(1)$. The temperature is measured using the bosonic thermal fraction, which vanishes at the lowest temperatures, limiting our measurement sensitivity. In a third series of experiments, the bosons are transferred into an optical trap and their internal state is changed to $|F=1,m_F=1\rangle$, the lowest energy state. A Feshbach resonance is detected and used to produce a BEC with tunable atomic interactions. When the effective interaction between atoms is tuned to be small and attractive, we observe the formation of a matter-wave bright soliton. Propagation of the soliton without spreading over a macroscopic distance of $1.1\,$mm is observed.
Cette thèse décrit l'étude des gaz de fermions $^6$Li et de bosons $^7$Li dans le régime quantique à très basse température. Le refroidissement est obtenu par évaporation du $^7$Li dans un piège magnétique très confinant. Puisque le refroidissement évaporatif d'un gaz de fermion polarisé est quasiment impossible, le $^6$Li est refroidi sympathiquement par contact thermique avec le $^7$Li. Dans une première série d'expériences, les propriétés des gaz quantiques dans les états hyperfins les plus élevés, piégés magnétiquement, sont étudiées. Un gaz de $10^5$ fermions a une température de 0.25(5) fois la température de Fermi ($T_F$) est obtenu. L'instabilité du condensat pour plus de 300 atomes condensés, à cause des interactions attractives, limite la dégénérescence que l'on peut atteindre. Pour s'affranchir de cette limite, une autre série d'expérience est menée dans les états hyperfins bas, piégeable magnétiquement, où les interactions entre bosons sont faiblement répulsives. Les collisions inter-isotopiques permettent alors la thermalisation du mélange. Le mélange d'un condensat de Bose-Einstein (CBE) de $^7$Li et d'un mer de Fermi de $^6$Li est produit. Le condensat est quasi unidimensionnel et la fraction thermique peut être négligeable. La dégénérescence atteinte correspond à $T/T_C=T/T_F=0.2(1)$. La température est mesurée à partir de la fraction thermique des bosons qui disparaît aux plus basses températures, et limite notre précision de mesure. Dans une troisième série d'expérience, les bosons sont transférés dans un piège optique, et placé dans l'état interne $|F=1,m_F=1\rangle$, l'état fondamental pour les bosons. Une résonance de Feshbach est repérée puis exploitée pour former un condensai où les interactions sont ajustables. Quand les interactions effectives entre les atomes sont attractives, on observe la formation d'un soliton brillant de matière. La propagation de ce soliton sans dispersion sur une distance de $1.1\,$mm est observée.
Mots clés
Bose-Einstein condensation
Fermi sea
degenerate quantum gases
soliton
lithium
cold atoms
magnetic trapping
optical trapping
magneto-optical trapping
evaporative cooling
sympathetic cooling
condensation de Bose-Einstein
mer de Fermi
gaz quantiques dégénérés
atomes froids
piégeage magnétique
piégeage optique
piége magnéto optique
refroidissement évaporative
refroidissement sympathique