Published July 10, 2008 | Version v1
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Trapped cold atoms with resonant interactions: unitary gas and three-body problem

Description

Near a Feshbach resonance, cold atoms are strongly interacting because the scattering length diverges. Moreover the interactions are short ranged, which generally allows to model them by a zero-range pseudopotential. The limit of infinite scattering length and zero range is called unitary limit. We solve the 3-body problem at the unitary limit in an isotropic harmonic trap. For bosonic particles, we find two types of eigenstates: universal states which only depend on the oscillation frequency of a particle in the trap, the particles' mass and Planck's constant; and efimovian states which also depend on a 3-body parameter, similarly to the 3-body bound states in free space discovered by Efimov. In an experiment, we predict that the universal states are long-lived, which is unusual for bosonic atoms. This lifetime is limited by the coupling between universal and efimovian states induced by the non-zero range of interactions. In the N-body case, we find that the hyper-radius, a collective degree of freedom describing the global size of the gas, is separable. We determine the dependence of the many-body wave functions on the hyper-radius. We deduce a relation on the thermal fluctuations of the gas size. Our results generalize to some N-body resonances. In a trap which rotates sufficiently fast, we find within superfluid hydrodynamics that the unitary gas becomes dynamically unstable. For an arbitrary trap and space dimension, we obtain new virial theorems for several relevant interactions. For the BEC-BCS crossover in a harmonic trap, we deduce that the trapping potential energy has an inflexion point at the unitary limit if the scattering length is varied adiabatically. (author)

Abstract (French)

Au voisinage d'une resonance de Feshbach, les interactions entre atomes froids sont fortes car la longueur de diffusion diverge. De plus les interactions ont une portee faible, ce qui permet generalement de les modeliser par un pseudopotentiel de portee nulle. La limite d'une longueur de diffusion infinie et d'une portee nulle est appelee limite unitaire. Nous resolvons le probleme a 3 corps a la limite unitaire dans un piege harmonique isotrope. Pour des particules bosoniques, nous obtenons deux types d'etats propres: d'une part les etats universels, qui ne dependent que de la frequence d'oscillation d'une particule dans le piege, de la masse des particules et de la constante de Planck; d'autre part les etats efimoviens, qui dependent aussi d'un parametre a trois corps, de facon analogue aux etats lies decouverts par Efimov en l'absence de potentiel exterieur. Dans une experience, nous predisons que les etats universels ont une longue duree de vie, ce qui est inhabituel pour des atomes bosoniques. Cette duree de vie est limitee par le couplage des etats universels aux etats efimoviens induit par la portee non nulle des interactions. Pour le probleme a N corps, nous montrons que l'hyperrayon, un degre de liberte collectif decrivant la taille globale du gaz, est separable. Nous determinons ainsi la dependance en l'hyperrayon des fonctions d'ondes a N corps. Nous deduisons une relation sur les fluctuations thermiques de la taille du gaz. Nos resultats se generalisent a certaines resonances a N corps. Dans un piege tournant a une vitesse suffisante, nous montrons dans le cadre de l'hydrodynamique superfluide que le gaz unitaire devient dynamiquement instable. Pour un piege et une dimension d'espace quelconques, nous obtenons de nouveaux theoremes du viriel pour differents types d'interactions entre atomes. Dans le cas de la transition BEC-BCS dans un piege harmonique, nous deduisons que l'energie potentielle de piegeage a un point d'inflexion a la limite unitaire si la longueur de diffusion est changee adiabatiquement. (auteur)

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Original title (French)
Atomes froids pieges en interaction resonnante: gaz unitaire et probleme a trois corps

Publishing Information

Imprint Pagination
194 p.
Report number
FRNC-TH--10838

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Notes
145 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses