As the hydrodynamic theory breaks down with the local density ap- proximation in the fermionic superfluid with spin-polarization, we develop a general formalism of the adiabatic dynamics for the low-lying collective modes in the BEC-BCS crossover, which is exact in the adiabatic limit. This adi- abatic dynamic theory is based on a static density functional theory of the spin-polarized superfluid system, which we derive as a generalization of the conventional density functional theory of superfluid for current experimental interests. A special case where the system is uniform and analytically solv- able is studied in detail. We show that our adiabatic equations of motion are reduced to the hydrodynamic equations of motion within local density approx- imation, which provides a solid microscopic foundation for the well-publicized phenomenological hydrodynamic theory. / text

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Grace aux progrès énormes des techniques de refroidissement, des expériences actuelles avec des atomes fermioniques piégés atteignent des températures extrêmement basses de l'ordre du nanoKelvin. Le but principal de ces expériences est l'étude de la transition nommée "BEC-BCS crossover". Pour cela, on change le champ magnétique autour d'une résonance de Feschbach, ce qui implique que la longueur de diffusion change des valeurs répulsives (a positif), à travers la limite unitaire (a infini) aux valeurs attractives (a négatif). Du côté BEC, où le système forme un condensat de Bose-Einstein de molécules fortement liées, aussi bien que du côté BCS, où les atomes forment des paires de Cooper qui ont une grande extension par rapport à la distance moyenne entre les atomes, on s'attend à ce que le système devienne superfluide, à condition que la température soit inférieure à une certaine température critique. Afin de trouver des signes sans équivoque de la superfluidité, il est nécessaire de regarder des observables dynamiques comme l'expansion du nuage atomique lorsque le piège est éteint ou des oscillations collectives du nuage. Le travail effectué au cours de cette thèse est une étude de la dynamique des modes collectifs dans les gaz de fermions froids. Nous avons développé un modèle basé sur l'évaluation de la matrice T. L'utilisation de l'équation de transport de Boltzmann pour les particules permet ensuite une étude semi-numérique des modes collectifs dans tous les régimes d'interaction. Cette étude a permis de mettre en évidence pour la première fois que la fréquence du mode radial quadrupolaire est supérieure à deux fois la fréquence du piège, comme cela est vérifié expérimentalement et contrairement aux premières théories n'incluant pas les effets de champ moyen. Les résultats obtenus ont aussi mis en évidence la nécessité d'une résolution numérique complète de l'équation de Boltzmann et de l'amélioration des techniques de détermination des observables physiques du gaz. Cette résolution numérique de l'équation de Boltzmann a montré que la détermination du temps de relaxation par la méthode des moments est erronée de 30%, ce qui influe fortement sur la détermination de la fréquence et de l'amortissement du mode collectif. Enfin, l'amélioration de la méthode des moments, considérant l'ordre supérieur, permet d'améliorer sensiblement l'accord avec le résultat numérique. Une telle investigation n'avait jamais été réalisée et montre la nécessité de considérer les moments d'ordre supérieurs pour l'étude des modes collectifs par l'équation de Boltzmann d'un gaz de fermions dans la phase normale / Due to the improvement of cooling technics, 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 lengh 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 developped 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

Grace aux progrès énormes des techniques de refroidissement, des expériences actuelles avec des atomes fermioniques piégés atteignent des températures extrêmement basses de l'ordre du nanoKelvin. Le but principal de ces expériences est l'étude de la transition nommée "BEC-BCS crossover". Pour cela, on change le champ magnétique autour d'une résonance de Feschbach, ce qui implique que la longueur de diffusion change des valeurs répulsives (a positif), à travers la limite unitaire (a infini) aux valeurs attractives (a négatif). Du côté BEC, où le système forme un condensat de Bose-Einstein de molécules fortement liées, aussi bien que du côté BCS, où les atomes forment des paires de Cooper qui ont une grande extension par rapport à la distance moyenne entre les atomes, on s'attend à ce que le système devienne superfluide, à condition que la température soit inférieure à une certaine température critique. Afin de trouver des signes sans équivoque de la superfluidité, il est nécessaire de regarder des observables dynamiques comme l'expansion du nuage atomique lorsque le piège est éteint ou des oscillations collectives du nuage. Le travail effectué au cours de cette thèse est une étude de la dynamique des modes collectifs dans les gaz de fermions froids. Nous avons développé un modèle basé sur l'évaluation de la matrice T. L'utilisation de l'équation de transport de Boltzmann pour les particules permet ensuite une étude semi-numérique des modes collectifs dans tous les régimes d'interaction. Cette étude a permis de mettre en évidence pour la première fois que la fréquence du mode radial quadrupolaire est supérieure à deux fois la fréquence du piège, comme cela est vérifié expérimentalement et contrairement aux premières théories n'incluant pas les effets de champ moyen. Les résultats obtenus ont aussi mis en évidence la nécessité d'une résolution numérique complète de l'équation de Boltzmann et de l'amélioration des techniques de détermination des observables physiques du gaz. Cette résolution numérique de l'équation de Boltzmann a montré que la détermination du temps de relaxation par la méthode des moments est erronée de 30%, ce qui influe fortement sur la détermination de la fréquence et de l'amortissement du mode collectif. Enfin, l'amélioration de la méthode des moments, considérant l'ordre supérieur, permet d'améliorer sensiblement l'accord avec le résultat numérique. Une telle investigation n'avait jamais été réalisée et montre la nécessité de considérer les moments d'ordre supérieurs pour l'étude des modes collectifs par l'équation de Boltzmann d'un gaz de fermions dans la phase normale.

This dissertation discusses the Landau-Zener (LZ) theory and its application in noisy environments and in many-body systems. The first project considers the effect of fast quantum noise on LZ transitions. There are two important time intervals separated by the characteristic LZ time. For each interval we derive and solve the evolution equation, and match the solutions at the boundaries to get a complete solution. Outside the LZ time interval, we derive the master equation, which differs from the classical equation by a quantum commutation term. Inside the LZ time interval, the mixed longitudinal-transverse noise correlation renormalizes the LZ gap and the system evolves according to the renormalized LZ gap. In the extreme quantum regime at zero temperature our theory gives a beautiful result which coincides with that of other authors. Our initial attempts to solve two experimental puzzles - an isotope effect and the quantized hysteresis curve of a single molecular magnet - are also discussed. The second project considers an ultracold dilute Fermi gas in a magnetic field sweeping across the broad Feshbach resonance. The broad resonance condition allows us to use the single mode approximation and to neglect the energy dispersion of the fermions. We then propose the Global Spin Model Hamiltonian, whose ground state we solve exactly, which yields the static limit properties of the BEC-BCS crossover. We also study the dynamics of the Global Spin Model by converting it to a LZ problem. The resulting molecular production from the initial fermions is described by a LZ-like formula with a strongly renormalized LZ gap that is independent of the initial fermion density. We predict that molecular production during a field-sweep strongly depends on the initial value of magnetic field. We predict that in the inverse process of molecular dissociation, immediately after the sweeping stops there appear Cooper pairs with parallel electronic spins and opposite momenta.

Ultracold Fermi gas is an exciting field benefiting from atomic physics, optical physics and condensed matter physics. It covers many aspects of quantum mechanics. Here I introduce some of my work during my graduate study. We proposed an optical spectroscopic method based on electromagnetically-induced transparency (EIT) as a generic probing tool that provides valuable insights into the nature of Fermi paring in ultracold Fermi gases of two hyperfine states. This technique has the capability of allowing spectroscopic response to be determined in a nearly non-destructive manner and the whole spectrum may be obtained by scanning the probe laser frequency faster than the lifetime of the sample without re-preparing the atomic sample repeatedly. Both quasiparticle picture and pseudogap picture are constructed to facilitate the physical explanation of the pairing signature in the EIT spectra. Motivated by the prospect of realizing a Fermi gas of 40 K atoms with a synthetic non-Abelian gauge field, we investigated theoretically BEC-HCS crossover physics in the presence of a Rashba spin-orbit coupling in a system of two-component Fermi gas with and without a Zeeman field that breaks the population balance. A new bound state (Rashba pair) emerges because of the spin-orbit interaction. We studied the properties of Rashba pairs using a standard pair fluctuation theory. As the two-fold spin degeneracy is lifted by spin-orbit interaction, bound pairs with mixed singlet and triplet pairings (referred to as rashbons) emerge, leading to an anisotropic superfluid. We discussed in detail the experimental signatures for observing the condensation of Rashba pairs by calculating various physical observables which characterize the properties of the system and can be measured in experiment. The role of impurities as experimental probes in the detection of quantum material properties is well appreciated. Here we studied the effect of a single classical impurity in trapped ultracold Fermi superfluids. Although a non-magnetic impurity does not change macroscopic properties of s-wave Fermi superfluids, depending on its shape and strength, a magnetic impurity can induce single or multiple mid-gap bound states. The multiple mid-gap states could coincide with the development of a Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) phase within the superfluid. As an analog of the Scanning Tunneling Microscope, we proposed a modified radio frequency spectroscopic method to measure the focal density of states which can be employed to detect these states and other quantum phases of cold atoms. A key result of our self consistent Bogoliubov-de Gennes calculations is that a magnetic impurity can controllably induce an FFLO state at currently accessible experimental parameters.

In dieser Dissertation werden das Anregungsspektrum und das Phasendiagramm wechselwirkender Fermi- und Bosegase untersucht. Zu diesem Zweck wird eine neuartige renormierte Kadanoff-Martin-Näherung vorgestellt, die Selbstwechselwirkung von Teilchen vermeidet und somit eine einheitliche Beschreibung sowohl der normalen als auch der kondensierten Phase ermöglicht. Für Fermionen findet man den BCS-Zustand, benannt nach Bardeen, Cooper und Schrieffer, welcher entscheidend ist für das Phänomen der Supraleitung. Charakteristisch für diesen Zustand ist eine Energielücke im Anregungsspektrum an der Fermi-Energie. Weiterhin tritt für Bosonen eine Bose-Einstein-Kondensation (BEC) auf, bei der das Anregungsspektrum für kleine Impulse linear ist. Letzteres führt zum Phänomen der Suprafluidität. Über die bereits bekannten Phänomene hinaus findet man eine dem BCS-Zustand ähnliche Kondensation von Zweiteilchenbindungszuständen, sowohl für Fermionen als auch für Bosonen. Für Fermionen tritt ein Übergang zwischen der Kondensation von Bindungszuständen und dem BCS-Zustand auf, der sogenannte BEC-BCS-Übergang. Die Untersuchung der Zustandsgleichung zeigt, dass im Gegensatz zu Fermi-Gasen und Bose-Gasen mit abstoßender Wechselwirkung Bose-Gase mit anziehender Wechselwirkung zu einer Flüssigkeit kondensieren oder sich verfestigen, bevor es zur Kondensation von Bindungszuständen oder zur Bose-Einstein-Kondensation kommt. Daher können diese Phänomene voraussichtlich nicht in der Gasphase beobachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgestellte Näherungsverfahren sehr gut geeignet ist, die erwähnten Phänomene im Zusammenhang mit der Bose-Einstein-Kondensation zu beschreiben.

In dieser Dissertation werden das Anregungsspektrum und das Phasendiagramm wechselwirkender Fermi- und Bosegase untersucht. Zu diesem Zweck wird eine neuartige renormierte Kadanoff-Martin-Näherung vorgestellt, die Selbstwechselwirkung von Teilchen vermeidet und somit eine einheitliche Beschreibung sowohl der normalen als auch der kondensierten Phase ermöglicht. Für Fermionen findet man den BCS-Zustand, benannt nach Bardeen, Cooper und Schrieffer, welcher entscheidend ist für das Phänomen der Supraleitung. Charakteristisch für diesen Zustand ist eine Energielücke im Anregungsspektrum an der Fermi-Energie. Weiterhin tritt für Bosonen eine Bose-Einstein-Kondensation (BEC) auf, bei der das Anregungsspektrum für kleine Impulse linear ist. Letzteres führt zum Phänomen der Suprafluidität. Über die bereits bekannten Phänomene hinaus findet man eine dem BCS-Zustand ähnliche Kondensation von Zweiteilchenbindungszuständen, sowohl für Fermionen als auch für Bosonen. Für Fermionen tritt ein Übergang zwischen der Kondensation von Bindungszuständen und dem BCS-Zustand auf, der sogenannte BEC-BCS-Übergang. Die Untersuchung der Zustandsgleichung zeigt, dass im Gegensatz zu Fermi-Gasen und Bose-Gasen mit abstoßender Wechselwirkung Bose-Gase mit anziehender Wechselwirkung zu einer Flüssigkeit kondensieren oder sich verfestigen, bevor es zur Kondensation von Bindungszuständen oder zur Bose-Einstein-Kondensation kommt. Daher können diese Phänomene voraussichtlich nicht in der Gasphase beobachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgestellte Näherungsverfahren sehr gut geeignet ist, die erwähnten Phänomene im Zusammenhang mit der Bose-Einstein-Kondensation zu beschreiben.