Published June 25, 2010 | Version v1
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Dynamic study of collective modes in cold fermion gases

Description

Due to the improvement of cooling techniques, recent experiments on ultracold Fermi gases now reach temperatures in the range of the nanokelvin. The main goal of these experiments is to study the so called BEC-BCS crossover. By tuning the external magnetic field around a Feschbach resonance, the scattering length runs from the repulsive side (a>0) to the attractive side (a<0) through the unitarity limit (a infinite). In the BEC side, where the system can form a Bose Einstein condensate of strongly bounded molecules and also in the BCS side where the atoms can form Cooper pairs, the system can become superfluid if the temperature is below the critical temperature. In order to know if the system is superfluid, one has to look at dynamical observables such the collective oscillations of the cloud. The work of this thesis deals with the dynamics of collective modes of ultracold Fermi gases. We have developed a model based on the T-matrix evaluation. We use the Boltzmann transport equation to study the collective modes in all the interaction regimes. This work shows for the first time that the frequency of the radial quadrupole mode can be more than twice the trap frequency, as it has been observed by experiments. The result comes from the incorporation of medium effects. These first results have also shown the necessity to solve numerically the Boltzmann equation. The numerical resolution shows that the determination of the relaxation time with the methods of moments was wrong by a factor 30%. Consequently, the determination of the frequency and the damping of the collective mode by this analytical method is also wrong. Thus, the improvement of this method, by considering the higher order, provides a better agreement with the numerical results. Such a calculation has never been done and shows the necessity to consider the higher order moments in the description of the collective mode of an ultracold Fermi gas in the normal with the Boltzmann equation. (author)

Abstract (French)

Grace aux progres enormes des techniques de refroidissement, des experiences actuelles avec des atomes fermioniques pieges atteignent des temperatures extremement basses de l'ordre du nanoKelvin. Le but principal de ces experiences est l'etude de la transition nommee 'BEC-BCS crossover'. Pour cela, on change le champ magnetique autour d'une resonance de Feschbach, ce qui implique que la longueur de diffusion change des valeurs repulsives (a positif), a travers la limite unitaire (a infini) aux valeurs attractives (a negatif). Du cote BEC, ou le systeme forme un condensat de Bose-Einstein de molecules fortement liees, aussi bien que du cote BCS, ou les atomes forment des paires de Cooper qui ont une grande extension par rapport a la distance moyenne entre les atomes, on s'attend a ce que le systeme devienne superfluide, a condition que la temperature soit inferieure a une certaine temperature critique. Afin de trouver des signes sans equivoque de la superfluidite, il est necessaire de regarder des observables dynamiques comme l'expansion du nuage atomique lorsque le piege est eteint ou des oscillations collectives du nuage. Le travail effectue au cours de cette these est une etude de la dynamique des modes collectifs dans les gaz de fermions froids. Nous avons developpe un modele base sur l'evaluation de la matrice T. L'utilisation de l'equation de transport de Boltzmann pour les particules permet ensuite une etude semi-numerique des modes collectifs dans tous les regimes d'interaction. Cette etude a permis de mettre en evidence pour la premiere fois que la frequence du mode radial quadrupolaire est superieure a deux fois la frequence du piege, comme cela est verifie experimentalement et contrairement aux premieres theories n'incluant pas les effets de champ moyen. Les resultats obtenus ont aussi mis en evidence la necessite d'une resolution numerique complete de l'equation de Boltzmann et de l'amelioration des techniques de determination des observables physiques du gaz. Cette resolution numerique de l'equation de Boltzmann a montre que la determination du temps de relaxation par la methode des moments est erronee de 30%, ce qui influe fortement sur la determination de la frequence et de l'amortissement du mode collectif. Enfin, l'amelioration de la methode des moments, considerant l'ordre superieur, permet d'ameliorer sensiblement l'accord avec le resultat numerique. Une telle investigation n'avait jamais ete realisee et montre la necessite de considerer les moments d'ordre superieurs pour l'etude des modes collectifs par l'equation de Boltzmann d'un gaz de fermions dans la phase normale. (auteur)

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Original title (French)
Etude dynamique des modes collectifs dans les gaz de fermions froids

Publishing Information

Imprint Pagination
133 p.
Report number
FRNC-TH--14151

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Notes
81 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses
Secondary number(s)
LYCEN-T--2010-07