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.
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.
$^7$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<br />quantum gases
soliton
lithium
cold atoms
magnetic trapping
optical trapping
magneto-optical trapping
evaporative cooling
sympathetic cooling
<br />condensation de Bose-Einstein
mer de Fermi
<br />gaz quantiques dégénérés
atomes<br />froids
piégeage magnétique
piégeage optique
piége<br />magnéto optique
refroidissement évaporative
<br />refroidissement sympathique
Domaines
Physique Atomique [physics.atom-ph]
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