Strongly interacting Fermi Gas: From molecular condensate to Cooper pairs
Gaz de Fermi en interaction forte: Du condensat de molécules aux paires de Cooper
Abstract
This thesis presents properties of a strongly interacting
quantum-degenerate Fermi gas. First, we study theoretically the limit
to the cooling of a Fermi gas due to atom losses. A fermionic \lif gas
is then studied in the vicinity of a s-wave Feshbach resonance. By
adjusting the magnetic field, one can control the sign and the
strength of the effective atom-atom interactions. We demonstrate the
efficient formation of weakly bound molecules, which are composed of
two fermions. These results are interpreted using a model assuming
thermodynamic equilibrium between atoms and molecules. Due to the
Pauli principle, these molecules are extraordinarily stable near the
resonance peak. This property allows us to produce a molecular
Bose-Einstein condensate (BEC) and to measure the mean field
interaction energy between molecules. When increasing the magnetic
field over the Feshbach resonance, one expects a phase transition at
low temperature similar to the BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer)
superconducting transition in metals. Close to resonance the gas is a
strongly interacting N-body system, difficult to treat theoretically.
Experimentally, we studied the expansion of the gas in this transition
region between a molecular condensate and a BCS phase. Finally we
characterized losses in the vicinity of p-wave Feshbach resonances.
quantum-degenerate Fermi gas. First, we study theoretically the limit
to the cooling of a Fermi gas due to atom losses. A fermionic \lif gas
is then studied in the vicinity of a s-wave Feshbach resonance. By
adjusting the magnetic field, one can control the sign and the
strength of the effective atom-atom interactions. We demonstrate the
efficient formation of weakly bound molecules, which are composed of
two fermions. These results are interpreted using a model assuming
thermodynamic equilibrium between atoms and molecules. Due to the
Pauli principle, these molecules are extraordinarily stable near the
resonance peak. This property allows us to produce a molecular
Bose-Einstein condensate (BEC) and to measure the mean field
interaction energy between molecules. When increasing the magnetic
field over the Feshbach resonance, one expects a phase transition at
low temperature similar to the BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer)
superconducting transition in metals. Close to resonance the gas is a
strongly interacting N-body system, difficult to treat theoretically.
Experimentally, we studied the expansion of the gas in this transition
region between a molecular condensate and a BCS phase. Finally we
characterized losses in the vicinity of p-wave Feshbach resonances.
Ce mémoire de thèse décrit les propriétés d'un gaz de Fermi dégénéré
en interaction forte. Tout d'abord, nous étudions d'un point de vue
théorique la limite au refroidissement d'un gaz de fermions imposée
par l'existence de pertes d'atomes. Un gaz de lithium fermionique 6Li
est ensuite étudié au voisinage d'une résonance de Feshbach en onde s. En changeant le champ magnétique, on peut contrôler le signe et
la force des interactions effectives entre atomes. Nous montrons la
formation efficace de molécules faiblement liées constituées de deux
fermions. Ces résultats sont interprétés par un modèle d'équilibre
thermodynamique entre atomes et molécules. Le principe de Pauli
confère à ces bosons composites une extraordinaire stabilité proche du
pic de la résonance. Cette propriété nous a permis de produire un
condensat de Bose-Einstein (BEC) de molécules et de mesurer
l'interaction entre les molécules à basse température. En augmentant
le champ magnétique au-delà de la résonance de Feshbach, on s'attend à
ce que le gaz, à basse température, subisse une transition de phase de
type BCS (Bardeen, Cooper, Shrieffer) analogue à la transition
supraconductrice dans les métaux. Proche de résonance, le gaz est un
système à N-corps en interaction forte, difficile à traiter
théoriquement. Expérimentalement, nous avons étudié l'expansion du
gaz dans cette région qui correspond à la transition entre un
condensat de molécules et une phase BCS. Enfin, nous avons
caractérisé le comportement des pertes au voisinage de résonances de
Feshbach en onde p.
en interaction forte. Tout d'abord, nous étudions d'un point de vue
théorique la limite au refroidissement d'un gaz de fermions imposée
par l'existence de pertes d'atomes. Un gaz de lithium fermionique 6Li
est ensuite étudié au voisinage d'une résonance de Feshbach en onde s. En changeant le champ magnétique, on peut contrôler le signe et
la force des interactions effectives entre atomes. Nous montrons la
formation efficace de molécules faiblement liées constituées de deux
fermions. Ces résultats sont interprétés par un modèle d'équilibre
thermodynamique entre atomes et molécules. Le principe de Pauli
confère à ces bosons composites une extraordinaire stabilité proche du
pic de la résonance. Cette propriété nous a permis de produire un
condensat de Bose-Einstein (BEC) de molécules et de mesurer
l'interaction entre les molécules à basse température. En augmentant
le champ magnétique au-delà de la résonance de Feshbach, on s'attend à
ce que le gaz, à basse température, subisse une transition de phase de
type BCS (Bardeen, Cooper, Shrieffer) analogue à la transition
supraconductrice dans les métaux. Proche de résonance, le gaz est un
système à N-corps en interaction forte, difficile à traiter
théoriquement. Expérimentalement, nous avons étudié l'expansion du
gaz dans cette région qui correspond à la transition entre un
condensat de molécules et une phase BCS. Enfin, nous avons
caractérisé le comportement des pertes au voisinage de résonances de
Feshbach en onde p.