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Accueil du site > Recrutement > Stages M2 / Thèses au LPT > Fluides de paires de fermions hors d’équilibre

Fluides de paires de fermions hors d’équilibre

(Thèse théorique sur les gaz quantiques et la matière condensée, en collaboration avec l’équipe expérimentale``Ultracold Quantum Matter’’ de Yale)

par Hadrien Kurkjian - 12 mars 2021

Toutes les versions de cet article : English , français

Directeurs de thèse : Hadrien Kurkjian, Nir Navon

Comprendre et prédire le comportement d’un fluide de particules quantiques à partir de ses données microscopiques (la nature des particules et des interactions) est un des problèmes les plus difficile de la physique théorique. Cela tient à la difficulté de trouver le spectre d’un hamiltonien décrivant N particules fortement corrélées et fortement intriquées. Or, pour suivre le développement rapide des techniques expérimentales, dans les gaz quantiques ou en matière condensée, il est aujourd’hui nécessaire d’aller au-delà du régime faiblement interagissant ou faiblement excité, pour décrire la dynamique fortement excitée d’un fluide en interaction forte.

C’est l’objectif de cette thèse, qui porte plus spécifiquement sur les superfluides de fermions formant des paires de Cooper, qu’on sait préparer aujourd’hui avec des atomes refroidis par laser. Pour bénéficier du fort dynamisme de la recherche expérimentale sur ces systèmes, et pour mieux confronter ses recherches aux résultats expérimentaux, le ou la doctorante sera accueillie à la fois au laboratoire de physique théorique de l’université Paul Sabatier et dans l’équipe expérimentale « Ultracold Quantum Matter » de l’université de Yale.

On s’intéressera principalement aux phénomènes dynamiques affectant les superfluides de fermions : d’abord aux modes propres résultant de faibles excitations du système autour de son état d’équilibre (ondes sonores, modes ``de Higgs’’ de la force d’appariement des paires, excitations fermioniques de brisure de paires). On étudiera ensuite l’évolution loin de l’équilibre, telle qu’on l’observe dans l’expérience de Yale après une trempe (un quench) du système.

On cherchera à répondre à plusieurs questions à la fois fondamentales, et confrontables aux mesures expérimentales : que vaut quantitativement le gap d’un condensat de paires de Cooper ? Est-il vraiment égal au paramètre d’ordre comme l’affirme la théorie BCS de champ moyen ? Que vaut, dans un système bien isolé (comme le sont les gaz atomiques réalisés expérimentalement), le taux de collision des quasiparticules (quantité fondamentale qui détermine la façon dont le système relaxe vers l’équilibre) ? Comment évolue les modes propres (notamment les modes d’appariement) au voisinage de la température de transition vers la phase normale ?

S’appuyant sur ces résultats intermédiaires, l’objectif final de la thèse sera de développer une théorie à la fois ergodique et non perturbative capable de décrire l’évolution (y compris l’évolution dissipative) du condensat de paires après un quench. Pour aller au-delà des approches intégrable incapables de décrire la relaxation [5], on pourra s’inspirer des méthodes de développement en cumulants récemment développées pour décrire les quenches dans les gaz de bosons [6,7]. Une fois le cadre théorique posé, on réalisera des simulations numériques prédisant l’évolution des principales observables. Le ou la doctorante comparera chacun de ses résultats aux mesures de l’expérience de Yale, mais discutera aussi les applications possibles à d’autres systèmes, tels que les supraconducteurs (en prenant en compte si besoin des effets spécifiques à la physique du solide, comme l’interaction de Coulomb).

Cette thèse nécessite une bonne connaissance des outils théoriques standards de la physique quantique à N corps, et un goût pour les calculs analytiques. Le ou la doctorante peut être financée par une bourse MESR préattribuée.

Les personnes intéressées peuvent envoyer leur candidature à Hadrien Kurkjian kurkjian@irsamc.ups-tlse.fr avec un CV incluant les résultats de Master, une brève lettre de motivation. Une ou deux lettres de recommendation seraient un plus.

Références

[1] Wilhelm Zwerger, éditeur. The BCS-BEC Crossover and the Unitary Fermi Gas. Springer Verlag, 2012.

[2] Sascha Hoinka, Paul Dyke, Marcus G. Lingham, Jami J. Kinnunen, Georg M. Bruun et Chris J. Vale : Goldstone mode and pair-breaking excitations in atomic Fermi superfluids. Nature Physics, 13:943–946, 2017.

[3] H. Kurkjian, S. N. Klimin, J. Tempere et Y. Castin : Pair-Breaking Collective Branch in BCS Superconductors and Superfluid Fermi Gases. Phys. Rev. Lett. 122:093403, 2019.

[4] Senne Van Loon, Jacques Tempere et Hadrien Kurkjian : Beyond Mean-Field Corrections to the Quasiparticle Spectrum of Superfluid Fermi Gases. Phys. Rev. Lett. 124:073404, 2020.

[5] E. A. Yuzbashyan, M. Dzero, V. Gurarie et M. S. Foster : Quantum quench phase diagrams of an s-wave BCS-BEC condensate. Phys. Rev. A 91:033628, 2015.

[6] Christoph Eigen, Jake A. P. Glidden, Raphael Lopes, Nir Navon, Zoran Hadzibabic et Robert P. Smith : Universal scaling laws in the dynamics of a homogeneous unitary Bose gas. Phys. Rev. Lett. 119:250404, 2017.

[7] V. E. Colussi, H. Kurkjian, M. Van Regemortel, S. Musolino, J. van de Kraats, M. Wouters et S. J. J. M. F. Kokkelmans : Cumulant theory of the unitary Bose gas : Prethermal and Efimovian dynamics. Phys. Rev. A, 102:063314, 2020.