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Mode de vibration d’un gaz de Fermi polarisé.

par Frédéric Chevy - 16 octobre 2009

Suite à des expériences récentes des groupe de Rice et MIT, le diagramme de phase d’un gas de fermions polarisé a fait l’objet d’intenses recherches aussi bien théoriques qu’expérimentales qui ont montré que l’appariement de Cooper responsable de la superfluidité dans ces systèmes s’opposait à un éventuel déséquilibre des populations de spin. En particulier, il a été observé que pour un gaz de fermions de populations $N_1$ et $N_2$ dans les états de spin $|1\rangle$ et $|2\rangle$ , le nuage présentait une coeur superfluide tant que la polariation $P=(N_1-N_2)/(N_1+N_2)$ restait inférieure à 76%.

Nous avons prolongé les études sur le diagramme de phase statique à la dynamique du mode de respiration du nuage. A cette occasion, nous avons montré que la présence du superfluide maintenait un comportement hydrodynamique pour des polarisation inférieures à la polarisation critique $P_c$ , ce qui se traduit par une fréquence d’oscillation constante sur une grande plage de valeurs de $P$ . On note aussi qu’en accord avec les principes généraux régissant les processus de dissipation dans le systèmes à N-corps, le taux d’amortissement augmente lorsque l’on quitte le régime hydrodynamique.

: haut : Fréquence d’oscillation du mode de respiration en fonction de la polarisation du nuage. Bas taux d’amortissement

L’étude attentive du mode de vibation de la composante minoritaire nous a permis de mettre en évidence l’existence d’un mode de vibration dans lequel les deux états de spin n’oscillent plus en phase. Dans le régime de forte polarisation, le atomes de spin minoritaire se comportent comme un gaz parfait de quasi-particles, les polarons fermioniques, habillés d’excitations particule-trou de la mer de Fermi de l’espèce majoritaire.

: Fréquence du mode de respiration du polaron. Insert : soectre de Fourier des oscillations de la composante minoritaire. Les deux pics correspondent respectivement aux modes en phase et hors phase par rapport à la composante majoritaire. L’extrapolation à polarisation complète donne accés à la masse effective de la quasi-particule.

Le groupe de Sandro Stringari à l’Université de Trento a montré que dans le régime de forte polarisation, la fréquence du mode de vibration du polaron permettait de remonter à la valeur de la masse effective de cette particule dont les propriétés conditionnent le diagramme de phase du gaz déséquilibré. Expérimentalement, nous obtenons $m^*/m=1.2(1)$ en accord avec les prédictions théoriques. Ces résultats cette masse effective reste relativement proche de masse "nue", bien que l’on travaille dans le régime d’interactions fortes.

Pour en savoir plus

Collective Oscillations of an Imbalanced Fermi Gas : Axial Compression Modes and Polaron Effective Mass, S. Nascimbene, N. Navon, K. Jiang, L. Tarruell, M. Teichmann, J. Mckeever, F. Chevy et C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 103, 170402 (2009) ; arXiv:0907.3032

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