Comptes Rendus
Brouillage thermique d'un gaz cohérent de fermions
[Thermal blurring of a coherent Fermi gas]
Comptes Rendus. Physique, Volume 17 (2016) no. 7, pp. 789-801.

It is generally assumed that a condensate of paired fermions at equilibrium is characterized by a macroscopic wavefunction with a well-defined, immutable phase. In reality, all systems have a finite size and are prepared at non-zero temperature; the condensate has then a finite coherence time, even when the system is isolated in its evolution and the particle number N is fixed. The loss of phase memory is due to interactions of the condensate with the excited modes that constitute a dephasing environment. This fundamental effect, crucial for applications using the condensate of pairs' macroscopic coherence, was scarcely studied. We link the coherence time to the condensate phase dynamics, and we show with a microscopic theory that the time derivative of the condensate phase operator θˆ0 is proportional to a chemical potential operator that we construct including both the pair-breaking and pair-motion excitation branches. In a single realization of energy E, θˆ0 evolves at long times as 2μmc(E)t/ħ, where μmc(E) is the microcanonical chemical potential; energy fluctuations from one realization to the other then lead to a ballistic spreading of the phase and to a Gaussian decay of the temporal coherence function with a characteristic time N1/2. In the absence of energy fluctuations, the coherence time scales as N due to the diffusive motion of θˆ0. We propose a method to measure the coherence time with ultracold atoms, which we predict to be tens of milliseconds for the canonical ensemble unitary Fermi gas.

On considère généralement que la fonction d'onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n'existe que des systèmes de taille finie, préparés, qui plus est, à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système demeure isolé tout au long de son évolution et que le nombre de particules N est fixé. La mémoire de la phase initiale se perd à mesure que le condensat interagit avec les modes excités, qui agissent comme un environnement déphasant. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique du condensat de paires, reste très peu étudié. Dans cet article, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons, par une approche microscopique, que la dérivée de l'opérateur phase du condensat θˆ0 par rapport au temps est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique que nous construisons, et qui inclut les deux branches d'excitations du gaz, tant par brisure des paires que par mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée d'énergie E, θˆ0 évolue aux temps longs comme 2μmc(E)t/ħ, où μmc(E) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de l'énergie d'une réalisation à l'autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique N1/2. En revanche, en l'absence de fluctuations d'énergie, le temps de cohérence diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de θˆ0. Enfin, nous proposons une méthode permettant de mesurer avec un gaz d'atomes froids ce temps de cohérence, que nous prédisons être de l'ordre de la dizaine de millisecondes pour un gaz de fermions préparé dans l'ensemble canonique à la limite unitaire.

Received:
Accepted:
Published online:
DOI: 10.1016/j.crhy.2016.02.005
Mot clés : Gaz de fermions, Fluides quantiques, Cohérence quantique, Atomes froids
Keywords: Fermi gases, Quantum fluids, Quantum coherence, Ultracold atoms

Hadrien Kurkjian 1; Yvan Castin 1; Alice Sinatra 1

1 Laboratoire Kastler-Brossel, ENS-PSL, CNRS, UPMC–Sorbonne Universités et Collège de France, Paris, France
@article{CRPHYS_2016__17_7_789_0,
     author = {Hadrien Kurkjian and Yvan Castin and Alice Sinatra},
     title = {Brouillage thermique d'un gaz coh\'erent de fermions},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {789--801},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {17},
     number = {7},
     year = {2016},
     doi = {10.1016/j.crhy.2016.02.005},
     language = {fr},
}
TY  - JOUR
AU  - Hadrien Kurkjian
AU  - Yvan Castin
AU  - Alice Sinatra
TI  - Brouillage thermique d'un gaz cohérent de fermions
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2016
SP  - 789
EP  - 801
VL  - 17
IS  - 7
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/j.crhy.2016.02.005
LA  - fr
ID  - CRPHYS_2016__17_7_789_0
ER  - 
%0 Journal Article
%A Hadrien Kurkjian
%A Yvan Castin
%A Alice Sinatra
%T Brouillage thermique d'un gaz cohérent de fermions
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2016
%P 789-801
%V 17
%N 7
%I Elsevier
%R 10.1016/j.crhy.2016.02.005
%G fr
%F CRPHYS_2016__17_7_789_0
Hadrien Kurkjian; Yvan Castin; Alice Sinatra. Brouillage thermique d'un gaz cohérent de fermions. Comptes Rendus. Physique, Volume 17 (2016) no. 7, pp. 789-801. doi : 10.1016/j.crhy.2016.02.005. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2016.02.005/

[1] M. Greiner; O. Mandel; T.W. Hänsch; I. Bloch Nature, 419 (2002), p. 51

[2] J. Estève; C. Gross; A. Weller; S. Giovanazzi; M.K. Oberthaler Nature, 455 (2008), p. 1216

[3] M.F. Riedel; P. Böhi; Yun Li; T.W. Hänsch; A. Sinatra; P. Treutlein Nature, 464 (2010), p. 1170

[4] G.-B. Jo; Y. Shin; S. Will; T.A. Pasquini; M. Saba; W. Ketterle; D.E. Pritchard; M. Vengalattore; M. Prentiss Phys. Rev. Lett., 98 (2007)

[5] M. Egorov; R.P. Anderson; V. Ivannikov; B. Opanchuk; P. Drummond; B.V. Hall; A.I. Sidorov Phys. Rev. A, 84 (2011)

[6] T. Berrada; S. van Frank; R. Bücker; T. Schumm; J.-F. Schaff; J. Schmiedmayer Nat. Commun., 4 (2013), p. 2077

[7] S. Nascimbène; N. Navon; K.J. Jiang; F. Chevy; C. Salomon Nature, 463 (2010), p. 1057

[8] M.J.H. Ku; A.T. Sommer; L.W. Cheuk; M.W. Zwierlein Science, 335 (2012), p. 563

[9] C. Kohstall; S. Riedl; E.R. Sánchez Guajardo; L.A. Sidorenkov; J. Hecker Denschlag; R. Grimm New J. Phys., 13 (2011)

[10] I. Carusotto; Y. Castin Phys. Rev. Lett., 94 (2005)

[11] H. Kurkjian; Y. Castin; A. Sinatra Phys. Rev. A, 88 (2013)

[12] A. Sinatra; Y. Castin; E. Witkowska Phys. Rev. A, 75 (2007)

[13] A.B. Kuklov; J.L. Birman Phys. Rev. A, 63 (2000)

[14] P. Anderson Phys. Rev., 112 (1958), p. 1900

[15] C. Cohen-Tannoudji; J. Dupont-Roc; G. Grynberg Processus d'interaction entre photons et atomes, InterÉditions et Éditions du CNRS, Paris, 1988

[16] A.J. Leggett Quantum Liquids, Oxford University Press, Oxford, 2006

[17] M. Rigol; V. Dunjko; M. Olshanii Nature, 452 (2008), p. 854

[18] A. Sinatra; Y. Castin; E. Witkowska Phys. Rev. A, 80 (2009)

[19] J.-P. Blaizot; G. Ripka Quantum Theory of Finite Systems, MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1985

[20] Y. Castin; R. Dum Phys. Rev. A, 57 (1998), p. 3008

[21] R. Combescot; M.Yu. Kagan; S. Stringari Phys. Rev. A, 74 (2006)

[22] L. Landau; I. Khalatnikov Zh. Eksp. Teor. Fiz., 19 (1949), p. 637

[23] M. Bartenstein; A. Altmeyer; S. Riedl; S. Jochim; C. Chin; J. Hecker Denschlag; R. Grimm Phys. Rev. Lett., 92 (2004)

[24] M. Greiner; O. Mandel; T. Esslinger; T.W. Hänsch; I. Bloch Nature, 415 (2002), p. 39

[25] W.S. Bakr; J.I. Gillen; A. Peng; S. Fölling; M. Greiner Nature, 462 (2009), p. 74

[26] Y. Castin; A. Sinatra Spatial and temporal coherence of a Bose-condensed gas (A. Bramati; M. Modugno, eds.), Physics of Quantum Fluids: New Trends and Hot Topics in Atomic and Polariton Condensates, Springer, Berlin, 2013

[27] A.L. Gaunt; T.F. Schmidutz; I. Gotlibovych; R.P. Smith; Z. Hadzibabic Phys. Rev. Lett., 110 (2013)

[28] A. Bulgac; J.E. Drut; P. Magierski Phys. Rev. Lett., 96 (2006)

[29] Y. Nishida; D.T. Son Phys. Rev. Lett., 97 (2006)

[30] A. Schirotzek; Yong-il Shin; C.H. Schunck; W. Ketterle Phys. Rev. Lett., 101 (2008)

[31] Y. Castin; I. Ferrier-Barbut; C. Salomon C. R. Physique, 16 (2015), p. 241

[32] G. Bighin; L. Salasnich; P.A. Marchetti; F. Toigo Phys. Rev. A, 92 (2015)

[33] S.N. Klimin; J. Tempere; Jeroen P.A. Devreese J. Low Temp. Phys., 165 (2011), p. 261

[34] H. Kurkjian; Y. Castin; A. Sinatra Phys. Rev. A, 93 (2016)

[35] D.T. Son; M. Wingate Ann. Phys., 321 (2006), p. 197

Cited by Sources:

Comments - Policy