Mixtures of ultracold gases: Fermi sea and Bose-Einstein condensate of lithium isotopes

Mélanges de gaz ultrafroids : mer de Fermi et condensat de Bose-Einstein des isotopes du lithium

Laboratoire Kastler Brossel, département de Physique de l'École Normale Supérieure, 24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France.

Abstract

This thesis presents studies of quantum degenerate atomic gases of fermionic ⁶Li and bosonic ⁷Li. Degeneracy is reached by evaporative cooling of ⁷Li in a strongly confining magnetic trap. Since at low temperatures direct evaporative cooling is not possible for a polarized fermionic gas, ⁶Li is sympathetically cooled by thermal contact with ⁷Li. In a first series of experiments both isotopes are trapped in their low-field seeking higher hyperfine states. A Fermi degeneracy of is achieved for 10⁵ fermions. For more than ~300 atoms, the ⁷Li condensate collapses, due to the attractive interatomic interaction in this state. This limits the degeneracy reached for both species. To overcome this limit, in a second series of experiments ⁷Li and ⁶Li atoms are transferred to their low field seeking lower hyperfine states, where the boson-boson interaction is repulsive but weak. The inter-isotope collisions are used to thermalize the mixture. A ⁷Li Bose-Einstein condensate (BEC) of 10⁴ atoms immersed in a Fermi sea is produced. The BEC is quasi-one-dimensional and the thermal fraction can be negligible. The measured degeneracies are . The temperature is measured using the bosonic thermal fraction, which vanishes at the lowest temperatures, limiting our measurement sensitivity. In a third series of experiments, the bosons are transferred into an optical trap and their internal state is changed to , the lowest energy state. A Feshbach resonance is detected and used to produce a BEC with tunable atomic interactions. When the effective interaction between atoms is tuned to be small and attractive, we observe the formation of a matter-wave bright soliton. Propagation of the soliton without spreading over a macroscopic distance of 1.1~mm is observed.

Résumé

Cette thèse décrit l'étude des gaz de fermions ⁶Li et de bosons ⁷Li dans le régime quantique à très basse température. Le refroidissement est obtenu par évaporation du ⁷Li dans un piège magnétique très confinant. Puisque le refroidissement évaporatif d'un gaz de fermion polarisé est impossible, le ⁶Li est refroidi sympathiquement par contact thermique avec le ⁷Li. Dans une première série d'expériences, les propriétés des gaz quantiques dans les états hyperfins les plus élevés, piégés magnétiquement, sont étudiées. Un gaz de 10⁵ fermions a une température de 0,25(5) fois la température de Fermi (T_F) est obtenu. L'instabilité du condensat pour plus de ~300 atomes condensés, à cause des interactions attractives, limite la dégénérescence que l'on peut atteindre. Pour s'affranchir de cette limite, une autre série d'expérience est menée dans les états hyperfins bas, piégeable magnétiquement, où les interactions entre bosons sont faiblement répulsives. Les collisions inter-isotopiques permettent alors la thermalisation du mélange. Le mélange d'un condensat de Bose-Einstein (CBE) de ⁷Li et d'un mer de Fermi de ⁶Li est produit. Le condensat est quasi unidimensionnel et la fraction thermique peut être négligeable. La dégénérescence atteinte correspond à . La température est mesurée à partir de la fraction thermique des bosons qui disparaît aux plus basses températures, et limite notre précision de mesure. Dans une troisième série d'expérience, les bosons sont transférés dans un piège optique, et placé dans l'état interne , l'état fondamental pour les bosons. Une résonance de Feshbach est repérée puis exploitée pour former un condensai où les interactions sont ajustables. Quand les interactions effectives entre les atomes sont attractives, on observe la formation d'un soliton brillant de matière. La propagation de ce soliton sans dispersion sur une distance de 1{,}1~mm est observée.