Laboratoire de Physique Théorique
Toulouse - UMR 5152

Comme l’a montré la théorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer dans les années cinquante, des fermions de spin 1/2 en interaction attractive à suffisamment basse température forment des paires liées, les paires de Cooper, qui peuvent se condenser bien qu’elles ne soient pas bosoniques. Le gaz devient alors superfluide et présente une longueur de cohérence limitée seulement par sa taille. Les expériences effectuées depuis une dizaine d’années avec des gaz d’atomes froids fermioniques dans des pièges immatériels ont relancé les études sur les condensats de paires de fermions, en donnant pour la première fois accès à des systèmes bien isolés de l’environnement et en interaction forte ajustable à volonté par résonance de Feshbach.

Nous présenterons dans notre exposé deux avancées conceptuelles permises par ces systèmes.

La première concerne la superfluidité : quelle est la vitesse critique de Landau d’un objet en mouvement dans un gaz de fermions à température nulle, vitesse en dessous de laquelle il ne subit aucune friction et reste en mouvement pendant un temps infini à la limite thermodynamique ? Nous verrons que cette vitesse critique peut dépendre de la masse de l’objet, au contraire de celle dans un gaz de bosons en interaction faible, et présente de ce fait des lignes de transition du premier ou du second ordre dans le plan (force des interactions, masse de l’objet). Ces prédictions ont reçu un début de confirmation expérimentale au LKB dans l’équipe de Christophe Salomon.

La seconde avancée concerne le temps de cohérence du condensat de paires à température non nulle, dans un système bien isolé et de taille finie. Nous montrerons que la réponse dépend de l’ensemble thermodynamique dans lequel le système est préparé. Dans l’ensemble canonique, le temps de cohérence est celui du brouillage de phase résultant des fluctuations de l’énergie totale d’une réalisation à l’autre. Dans l’ensemble microcanonique, le temps de cohérence est déterminé par la diffusion de phase due aux interactions entre les quasi-particules bosoniques ou fermioniques peuplant les branches d’excitation RPA ou BCS du gaz de fermions. Ces études novatrices sur le temps de cohérence n’ont pas encore reçu de confirmation expérimentale.

Références :

Y. Castin, I. Ferrier-Barbut, C. Salomon, "La vitesse critique de Landau d’une particule dans un superfluide de fermions", Comptes rendus Physique 16, 241 (2015)

H. Kurkjian, Y. Castin, A. Sinatra, "Brouillage thermique d’un gaz cohérent de fermions", Comptes Rendus Physique 17, 789 (2016)