Fermions polarisés dans une boite – SPIFBOX

Les atomes ultrafroids sont devenus des outils précieux pour l'étude des systèmes quantiques fortement corrélés. Une prédiction intrigante a été faite il y a plus de 50 ans par Fulde-Ferrell-Larkin et Ovchinikov (FFLO) concernant l'existence d'une phase supraconductrice en présence d'un déséquilibre des populations de spins des électrons. Ils prédirent l'existence d'une phase superfluide où le paramètre d'ordre est inhomogène et oscille spatialement dans l'échantillon. Dans le projet SPIFBOX nous chercherons à produire et étudier cette phase à l'aide d'un gaz de fermions ultrafroids confinés dans une boite où la densité atomique est uniforme. La partie expérimentale du projet sera réalisée a l'ENS sur deux montages expérimentaux utilisant les isotopes du lithium. Le premier est déjà opérationnel et le potentiel à fond plat est réalisé à 3 dimensions par le champ moyen répulsif d'un condensat de Bose-Einstein d'atomes de lithium mélangé au superfluide fermionique avec déséquilibre de spins et confiné dans un piège harmonique. Le second montage est une expérience de nouvelle génération beaucoup plus flexible où le potentiel à fond plat sera réalisé optiquement par des micro-miroirs à commande digitale (DMD). Il nous permettra d'aborder l'étude de la phase FFLO en dimensions réduites 1 et 2 pour lesquelles les prédictions théoriques et les simulations
numériques montrent une région FFLO du diagramme de phase bien plus importante qu'à 3 dimensions. La construction de cette nouvelle expérience a déjà débuté et le financement demandé dans SPIFBOX sera consacré à son achèvement.

La partie théorique du projet sera assurée par Giuliano Orso de l'université Paris 7 Denis-Diderot, un spécialiste des fermions avec déséquilibre de spins, et un post-doc que nous souhaitons recruter sur le projet. L'équipe théorique déterminera les conditions optimales pour l'observation de la phase FFLO dont elle a déjà prouvé l'existence lorsque les fermions évoluent dans une seule dimension d'espace. Elle étudiera également le diagramme de phase lorsque les fermions sont mélangés à un gaz de Bose. Elle étudiera la possible stabilisation de la phase FFLO en dimensions 2 et 3 en contrôlant la force de l'interaction bosons-fermions. Les simulations numériques par la methode DMRG (Density Matrix Renormalization Group) et la méthode Monte-Carlo seront comparées aux observations experimentales de l'ENS.

Avec les outils puissants de la physique atomique, nous réunissons dans le projet SPIFBOX les meilleures conditions expérimentales pour l'observation de la phase FFLO: pas de couplage orbital, pas de désordre, des échantillons en dimensions reduites, et, ce qui est crucial, l'imagerie directe résolue en spin de la modulation spatiale du nuage atomique.

Nous espérons qu'en apportant une réponse à l'un des problèmes actuels les plus pressants de la physique quantique a N corps, les résultats du projet SPIFBOX stimuleront de nouveaux concepts théoriques et expérimentaux à l'interface avec la physique de la matière condensée. Finalement, le nouveau degré de compréhension de la matière quantique apporté par SPIFBOX contribuera, à terme, au design de matériaux aux propriétés innovantes.