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.

Dans la première partie de la thèse, on considère l'interaction entre les quasiparticules d'un film diffusif, c'est-à-dire un film dans lequel le libre parcours élastique est très inférieur aux dimensions du film. Les interactions sont sensées y être plus importantes que dans un métal parfait, décrit par la théorie du liquide de Fermi. Nous avons mesuré à basse température la fonction de distribution en énergie de plusieurs fils diffusifs mésoscopiques (longueur de l'ordre du micromètre) hors d'équilibre. Selon le rapport entre le temps de diffusion à travers le fil et le temps typique d'interaction entre quasiparticules, nous avons observé un régime proche du régime sans interactions, un régime d'interactions fortes, et un régime intermédiaire. Du régime intermédiaire on déduit la dépendance en énergie du module de l'interaction.<br />La deuxième partie est consacrée à l'effet de proximité, c'est-à-dire la pénétration dans un métal non supraconducteur (normal, N) de l'ordre supraconducteur (S), caractérisé par l'appariement entre quasiparticules. L'ordre induit modifie la densité d'états du métal N, que nous avons mesurée en fonction de la distance au contact NS. A une distance de 100 nm, la densité d'états au niveau de Fermi est diminuée de moitié. La modification de la densité d'états subsiste jusqu'à une distance de l'ordre du micron. <br />De même, le courant à travers une interface NS pour des tensions inférieures au gap du S (courant d'Andreev) dépend de l'appariement induit dans le métal N. Ce courant, dû au passage cohérent de deux électrons du métal N dans le S, est amplifié par le confinement des trajectoires électroniques près de l'interface. Pour démontrer la nature interférentielle de cette amplification, nous avons fabriqué un « NS-QUID », constitué par une fourche supraconductrice fermée par un fil normal. La figure d'interférence est constituée par le courant, qui est modulé par un champ magnétique appliqué perpendiculairement à l'échantillon.

Les propriétés microscopiques des plasmas chauds et denses --- plasmas couplés --- constituent un domaine d'étude essentiellement exploré par les théories de physique classique telles que le plasma à une composante, théorie basée sur un certain nombre de paramètres ajustables, en particulier l'ionisation.<br /><br />Nous nous proposons, dans ce travail de thèse, d'aborder cette thématique par une approche sans paramètre basée sur le couplage cohérent de la dynamique moléculaire classique des noyaux et de la théorie de la fonctionnelle de la densité sans orbitale pour les électrons. La composante électronique est ainsi représentée par une énergie libre semi-classique dont la seule variable pertinente est la densité locale.<br /><br />Ce modèle a été validé par comparaison avec une méthode ab initio, la dynamique moléculaire quantique, qui décrit également le fluide électronique par une énergie libre mais exprimée au moyen d'une théorie quantique de particules indépendantes. Suite à cette validation, la dynamique moléculaire sans orbitale a été mise à profit pour évaluer l'équation d'état, à l'équilibre thermodynamique, de plasmas de bore et de fer à très haute température et densité. De plus, des comparaisons avec les modèles classiques ont été entreprises sur les propriétés structurales et dynamiques. Enfin, les lois de mélange d'équations d'état ou de coefficient de transport ont été vérifiées par simulation directe d'un plasma constitué de deutérium et de cuivre.

Title from PDF of title page. / Document formatted into pages; contains 323 pages. / Thesis (Ph.D.)--University of South Florida, 2002. / Includes bibliographical references. / Text (Electronic thesis) in PDF format. / ABSTRACT: This dissertation reports the activities, methods, and key findings of a doctoral research project in applied anthropology and an environmental anthropology fellowship. The research project was conducted through the Department of Anthropology at the University of Michigan, while the fellowship was sponsored jointly by the Society for Applied Anthropology and the United States Environmental Protection Agency and was conducted through the Great Lakes Fellowship Program of the Great Lakes Commission, in Ann Arbor, Michigan. Together, these projects demonstrated the utility of an ethnographic approach called Risk Perception Mapping (RPM) to the public consultation and social research interests of the Commission and its associated network of environmental management agencies and organizations. / Through consultation with these organizations I identified an environmental management problem to which anthropological perspectives and methods would be particularly well-suited: Can the undesirable social phenomenon of environmental discrimination be minimized by assuring greater equality in access to public participation in environmental management? To address this problem, I conducted an RPM demonstration project in a five county area surrounding the Fermi II nuclear power plant in southeastern Michigan. My research focused on cultural, geographical, and social-contextual factors that influence the nature and distribution of perceived risk among populations that are potentially affected by environmental management projects. Key findings pertain to perceptually-specific communities of environmental risk and have implications for what I call "participatory equity" in environmental management. / Potential applications to Great Lakes environmental management center on developing equitable population-specific exchanges of information through which more culturally sensitive indicators of Great Lakes ecosystem integrity may emerge. Anthropological contributions to public participation in environmental management are discussed with particular attention to anthropological perspectives on the multiple publics that comprise locally affected communities of environmental risk. / System requirements: World Wide Web browser and PDF reader. / Mode of access: World Wide Web.

Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3405. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

The two-dimensional electronic systems (2DESs) have kept surprising physicists for the last few decades. Examples include the integer and fractional quantum Hall effects, cuprate superconductivity, and graphene. This thesis is intended to develop suitable theoretical tools which can be generalized to study new types of 2DESs with strong correlation feature. The first part of this thesis describes the investigation of heterostructures made by Mott insulators. This work is mostly motivated by the significant improvement of techniques for layer-by-layer growth of transition metal oxides in the last few years. We construct a toy model based on generalized Hubbard model complemented with long-ranged Coulomb interaction, and we study it by Hartree-Fock theory, dynamical mean-field theory, and Thomas-Fermi theory. We argue that interesting 2D strongly correlated electronic systems can be created in such heterostructures under several conditions. Since these 2D systems are formed entirely due to the gap generated by electron-electron interaction, they are not addiabatically connected to a noninteracting electron states. This feature makes these 2D systems distinguish from the ones created in semiconductor heterostructures, and they may be potential systems having non-Fermi liquid behaviors. The second part of this thesis is devoted to the study of collective excitations in high-temperature superconductors. One important achievement in this work is to develop a time-dependent mean-field theory for t-U-J-V model, an effective low energy model for cuprates. The time-dependent mean-field theory is proven to be identical to the generalized random-phase approximation (GRPA) which includes both the bubble and ladder diagrams. We propose that the famous 41 meV magnetic resonance mode observed in the inelastic neutron scattering measurements is a collective mode arising from a conjugation relation, which has been overlooked in previous work, between the antiferromagnetic fluctuation and the phase fluctuation of the d-wave superconducting order parameter near momentum ([pi, pi]). Furthermore, we find that this collective mode signals the strength of the antiferromagnetic fluctuations which are responsible for the suppression of the superfluid density in the underdoped cuprates even at zero temperature. Finally, we perform a complete analysis on an effective model with parameters fitted by experimental data of Bi2212 within the GRPA scheme and conclude that the short-range antiferromagnetic interactions which are a remnant of the parent Mott-insulator are more likely the pairing mechanism of the High-T[subscript c] cuprates. / text

Les composés à fermions lourds, qui sont à base de terres rares comme le cérium et l'ytterbium ou d'actinides comme l'uranium, sont connus pour leurs propriétés extraordinaires à basse température. Leur physique est gouvernée par l'hybridation des électrons f avec des électrons de conduction, ce qui mène à la formation de quasi-particules avec de très grandes masses effectives. URu2Si2 occupe une place particulière dans la famille des fermions lourds. Une transition de phase du second ordre à la température T0 = 17.5 K a été observée par de nombreuses techniques expérimentales. Malgré des propositions théoriques multiples, aucun consensus n'existe concernant le paramètre d'ordre de la phase - dite à ordre caché - qui se développe sous T0. Lorsqu'on le soumet à des champs magnétiques intenses, URu2Si2 a par ailleurs un comportement unique : une cascade de trois transitions du premier ordre entre 35 et 39 T mène le système de son état paramagnétique à un état polarisé paramagnétique à fort champ. Ce travail a consisté en l'investigation systématique des propriétés magnétiques et électroniques d'échantillons monocristallins de très haute qualité d' URu2Si2 dans des champs magnétiques intenses allant jusqu'à 80 T, et des températures descendant jusqu'à 100 mK. Des expériences d'aimantation et de magnétorésistivité ont été faites en champ magnétique pulsé non destructif au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Toulouse (LNCMI-T). Le diagramme de phase champ magnétique-température de URu2Si2 a été étudié la première fois sur les gammes étendues de champs magnétiques H||c allant jusqu'à 60 T et de températures allant jusqu'à 80 K. Il indique que la domaine critique [35 T-39 T] est initié par la destabilisation d'un " crossover ", dont la température caractéristique atteint 40-50 K à champ nul. Il est démontré que ce crossover, qui résulte probablement des corrélations inter-site, est aussi un précurseur de la phase à ordre caché. Une étude de la magnétorésistivité pour différentes orientations du champ magnétique dans les plans (a,a) and (a,c) a permis d'établir la dépendance en angle du diagramme de phase. Des mesures de l'aimantation du composé dopé en rhodium U(Ru0.96Rh0.04)2Si2 révèlent un diagramme de phase " simplifié ", où la phase à ordre caché a disparu et le domaine critique a été remplace par une phase intermédiaire entre 26 et 37 T. La magnetoresistivité à très basse température se révèle être fortement dépendente de la qualité des échantillons et est la signature des propriétés orbitales d'URu2Si2. Une dépendance exceptionnellement intense de la magnétorésistivité en fonction de la température confirme que la surface de Fermi est reconstruite à T0. Des anomalies dans la magnetoresistivité à fort champ magnétique H||c suggèrent que la surface de Fermi est modifiée à l'intérieur de la phase à ordre caché. Des oscillations quantiques - effet Shubnikov-de Haas - sont observées dans la magnétorésistivité à très basse température pour une multitude d'orientations des échantillons dans le champ magnétique. Elles confirment qu'un champ magnétique H||c induit des reconstructions de la surface de Fermi dans la phase à ordre caché. Dans un champ magnétique H||a, des oscillations quantiques sont observées pour la première fois jusqu'à 80 T. Leur analyse a révélé une nouvelle branche de fréquence  avec une faible masse effective. La dépendance en angle des fréquences Shubnikov-de Haas a été étudiée dans un champ magnétique allant jusqu'à 60 T, pour des champs appliqués dans les plans (a,a) et (a,c). Ce travail expérimental indique que le couplage entre le magnétisme des électrons f et les propriétés de la surface de Fermi joue un rôle important pour la physique du système à ordre caché URu2Si2.

Dédié à l'étude du ciel en rayons gamma, le satellite Fermi comporte à son bord le Large AreaTelescope (LAT), sensible au rayonnement de 20 MeV à plus de 300 GeV. Sa sensibilité et ses performances grandissantes apportent de plus en plus de contraintes sur les nébuleuses à vent de pulsar. Ces nébuleuses sont alimentées par l'injection permanente d'un vent d'électrons et de positrons relativistes accélérés par l'onde de choc délimitant la nébuleuse. Ces particules chargées rayonnent dans les différents domaines du spectre électromagnétique et notamment dans le domaine des rayons gamma à l'aide du processus de diffusion Compton inverse. Cette thèse présente l'étude morphologique et spectrale détaillée de deux sources potentiellement associées à des nébuleuses : MSH 11-62 et HESS J1857+026, afin de déterminer si l'émission gamma est produite par des nébuleuses de pulsar. Dans un deuxième temps, l'analyse de toutes les sources reliées à des contreparties détectées par les télescopes Cerenkov permet la détection de six nouvelles nébuleuses de pulsars et candidats dans la gamme de Fermi. Ceci permet d'apporter de nouvelles contraintes sur les propriétés physiques des nébuleuses de pulsar ainsi que sur les mécanismes d'émission à l'aide de modèles et d'études sur la population totale détectée par le LAT.

L'4He et l'3He sont des systèmes modèles pour comprendre les propriétés quantiques de la matière fortement corrélée. C'est pour cette raison que plusieurs études ont été consacrées à la compréhension de leur dynamique. A basses températures où les effets quantiques jouent un rôle essentiel, les excitations élémentaires dans l'4He sont décrites par un mode collectif d'excitations: phonon-roton. Par contre pour un système d'3He la description est plus complexe, le spectre d'excitation a deux composantes: un mode collectif (zéro-son) et un continuum d'excitations incohérentes de type particule-trou. Les deux sont bien décrites par la théorie de Landau des liquides de Fermi qui trouve sa validité pour des petits vecteurs d'onde. Jusqu'à présent, on supposait que la dynamique dans les liquides de Fermi à vecteurs d'onde élevés était essentiellement incohérente. Cette thèse porte sur l'exploration, par diffusion inélastique de neutrons, des excitations collectives dans l'3He liquide 2D adsorbé sur un substrat de graphite. Un tel travail expérimental requiert trois ingrédients essentiels : un réfrigérateur à dilution afin de travailler à basses températures, un spectromètre temps de vol afin de mesurer le facteur de structure dynamique du système et un substrat solide (graphite exfolié ZYX) pour la préparation de films d'3He-2D par physisorption. Nos expériences sur ces films d'3He déposés en deuxième couche sur de l'4He solide adsorbé sur le graphite nous ont permis de faire les observations suivantes : à petit vecteur d'onde, le zéro-son est plus proche de la bande particule-trou que celui observé dans le cas de l'3He massif, tandis qu'à fort vecteur d'onde le mode collectif entre dans le continuum et réapparait de l'autre côté. Cette nouvelle branche, observée pour la première fois, est aujourd'hui décrite par la théorie dynamique à N-corps développée par nos collaborateurs de l'université Johannes Kepler de Linz, Autriche. Au cours de ce travail de thèse plusieurs techniques expérimentales ont été développées, en particulier, un réfrigérateur à dilution sans fluide cryogénique robuste adapté à des expériences de diffusion neutronique. Son optimisation a permis de réduire le temps de refroidissement de ce type de réfrigérateurs.

Le désordre joue un rôle fondamental dans de nombreux domaines de la physique, tels que la matière condensée, l'optique, l'acoustique ou la physique atomique. Il est responsable de nombre d'effets surprenants, tels que la localisation d'Anderson, certaines transitions métal-isolant et d'intriguantes phases vitreuses. La complexité inhérente aux systèmes désordonnés soulève des défis considérables à la pleine compréhension de ces phénômènes. Au cours des dernières années, le désordre s'est imposé comme un axe de recherche majeur dans le domaine des gaz quantiques ultrafroids. Ces derniers offrent de fascinantes perspectives pour mieux comprendre les effets du désordre dans les systèmes quantiques, grâce non seulement à un contrôle sans précédent de leurs paramètres mais aussi à leurs propriétés originales. Cette thèse d'Habilitation présente nos contributions récentes à la théorie des gaz quantiques désordonnés selon trois axes directeurs: - La localisation d'Anderson dans les gaz quantiques désordonnés; - Le désordre dans les gaz de Bose en interaction; - La simulation de modèles de Hubbard étendus et de modèles de spin avec des atomes ultrafroids. D'une part, nous proposons et analysons des expériences visant à réaliser des simulateurs quantiques afin d'étudier des questions ouvertes, d'importance fondamentale pour le domaine des systèmes désordonnés. A cet égard, nous montrons que les gaz quantiques offrent des perspectives prometteuses. D'autre part, nous réalisons des travaux amont qui mettent notamment en avant les propriétés originales des gaz quantiques. Ces derniers permettent ainsi de jeter un regard nouveau sur des problèmes d'intérêt général dans le domaine des systèmes désordonnés.