Excitations élémentaires des fermions fortement corrélés à des vecteurs d'onde atomiques: expériences et théorie – HighQ-Fermions

L’3He liquide est un excellent candidat pour ces recherches, car sa surface de Fermi est sphérique, et il permet une étude en fonction de la densité (interactions). De plus, l’3He liquide bidimensionnel peut être étudié dans une grande gamme de densités, du gaz parfait de Fermi jusqu’à des densités élevées où les corrélations sont très fortes. Nous nous proposons d’étudier les excitations élémentaires d’un liquide de Fermi dans le domaine des grands vecteurs d’onde. Des techniques avancées seront utilisées pour mesurer par diffusion neutronique aux très basses températures le facteur de structure dynamique de l’3He liquide à deux et trois dimensions. Des techniques de RMN adaptées aux très basses températures permettront d’accéder également aux propriétés fondamentales que sont la masse effective et le paramètre de Landau magnétique, en fonction de la densité, pour les systèmes 2D et 3D.

RESULTATS MARQUANTS

- Observation dans 3He liquide de Fermi 2D d’un mode de zéro-son de type roton (Nature, 2012).
- Observation d’une interaction répulsive roton-phonon dans 4He superfluide (Phys. Rev. Lett. 2012)

Nous obtiendrons une description complète de la dynamique de 4He et 3He liquides massifs, ainsi que de l'3He bidimensionnel, en liaison avec la théorie développée par notre partenaire autrichien (Linz)

• Two-dimensional Fermi liquids sustain surprising roton-like plasmons beyond the particle-hole band.
A Sultan, H Godfrin, M Meschke, H-J Lauter, H Schober, H Böhm, R Holler, E Krotscheck and M Panholzer
Journal of Physics: Conference Series 340, 012078 (2012)

• Observation of a roton collective mode in a two-dimensional Fermi liquid
Henri Godfrin, Matthias Meschke, Hans-Jochen Lauter, Ahmad Sultan, Helga M. Böhm, Eckhard Krotscheck and Martin Panholzer
Nature 483, 576–579 (29 March 2012), doi:10.1038/nature10919

• Static structure factor of two-dimensional liquid 3He adsorbed on graphite
A. Sultan, M. Meschke, H.-J. Lauter and H. Godfrin
J. of Low Temp. Phys. DOI: 10.1007/s10909-012-0649-9 (on-line 3/07/2012)

• Roton-Phonon Interactions in Superfluid 4He
B. Fåk, T. Keller, M. E. Zhitomirsky, and A.L. Chernyshev, Physical Review Letters (Accepted August 17, 2012, in press).

La compréhension des propriétés quantiques des systèmes à plusieurs corps en interaction constitue l'un des grands défis de la physique moderne. Nous proposons ici la première étude des systèmes de fermions fortement corrélés dans le domaine des grands vecteurs d'onde, afin de comprendre la nature des excitations incohérentes (particule-trou) et cohérentes (plasmon, son-zéro) ainsi que leur interaction. Les résultats sont applicables à de nombreux "fluides quantiques", allant des électrons dans les métaux aux étoiles à neutrons.

L’3He liquide est un excellent candidat pour ces recherches, car sa surface de Fermi est sphérique, et il permet une étude en fonction de la densité (interactions). De plus, l’3He liquide bidimensionnel peut être étudié dans une grande gamme de densités, du gaz parfait de Fermi jusqu’à des densités élevées où les corrélations sont très fortes. Dans ce système, la position dans le spectre dumode collectif de son-zéro par rapport à la bande particule-trou peut être ajustée expérimentalement en agissant sur la densité. Dans ces conditions très favorables, nous nous proposons d’étudier les excitations élémentaires d’un liquide de Fermi dans le domaine des grands vecteurs d’onde.

Des techniques avancées seront utilisées pour mesurer par diffusion neutronique aux très basses températures le facteur de structure dynamique de l’3He liquide à deux et trois dimensions. Cette grandeur fournit directement le spectre des excitations élémentaires du système.
Des techniques de RMN adaptées aux très basses températures permettront d’accéder également aux propriétés fondamentales que sont la masse effective et le paramètre de Landau magnétique, en fonction de la densité, pour les systèmes 2D et 3D.

Les expériences seront réalisées à Grenoble par des experts dans le domaine des fluides quantiques, la physique des basses températures et la cryogénie (Institut Néel –CNRS et INAC-CEA), en utilisant la meilleure instrumentation neutronique et cryogénique.

Les partenaires autrichiens (Université de Linz) développent actuellement une théorie microscopique qui apporte un nouveau cadre pour la compréhension de la dynamique des fermions fortement corrélés. La description théorique, fondée sur méthode variationnelle/équation de mouvement, sera portée dans le cadre de ce projet à un niveau de précision sans précédent, incluant aussi les effets d’échange, fluctuations de spin, et d’un spectre d’excitations à une particule non trivial. Le groupe de Linz a déjà démontré sa capacité remarquable de produire des théories brillamment vérifiées par l’expérience.

Les mesures et calculs théoriques proposés ici, menés en étroite collaboration, ont pour but de répondre à des questions simples, mais fondamentales : Quelle est la nature de la dynamique d’un liquide de Fermi ? Subsiste t’il des excitations cohérentes dans ces systèmes à des vecteurs d’onde et des énergies élevés ?