Thermal blurring of a coherent Fermi gas

Brouillage thermique d'un gaz cohérent de fermions

Hadrien Kurkjian (1) , Yvan Castin (1) , Alice Sinatra (1)

1 LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel

Coherent gases of ultracold atoms confined in immaterial non-dissipative traps are unique examples of isolated macroscopic quantum systems. The value of their intrinsic coherence time is then a fundamental question. But it is also a practical issue for all the applications which exploit macroscopic coherence, such as interferometry, or quantum engineering where one generates non-trivial entangled states by coherent evolution. Coherence time measurements are presently being performed in cold Bose gases. Experiments on Fermi gases, that up to now focussed on traditional aspects of the N -body problem, such as thermodynamic properties, are moving towards correlation and coherence measurements. This turn will open a new research field, including the strong coupling regime: that of fermionic quantum optics. However a theory predicting the coherence time of a pair-condensed Fermi gas was missing, except in the limiting case of zero temperature. In this paper we present the first microscopic theory bridging this theoretical gap in a general way. Our results hold for other physical systems, such as mesoscopic Josephson Junctions, provided that the environment-induced decoherence is sufficiently reduced.

Les gaz cohérents d'atomes froids dans des pièges immatériels non dissipatifs sont des exemples uniques de systèmes quantiques macroscopiques isolés. Se pose alors le problème de leur temps de cohérence intrinsèque. Cette question fondamentale présente également un intérêt pratique, pour toutes les applications qui mettent à profit la cohérence macroscopique, par exemple en interférométrie ou en ingénierie quantique où l'on crée des états intriqués non triviaux par évolution cohérente. Des mesures de temps de cohérence sont déjà accessibles avec des gaz de bosons. Les expériences sur les gaz de fermions, qui se sont pour l'instant concentrées sur les propriétés thermodynamiques donc sur les aspects traditionnels du problème à N-corps, commencent à s'intéresser aux mesures de corrélations et de cohérence, ce qui ouvrira un nouveau domaine de recherche, y compris dans le régime d'interaction forte : l'optique quantique fermionique. Cependant, il n'y a à ce jour aucune prédiction sur le temps de cohérence d'un condensat de paires de fermions, sauf à température nulle. Dans cet article nous présentons la première théorie microscopique permettant de combler ce vide théorique en toute généralité. Notre résultat vaut pour d'autres systèmes physiques, tels que les jonctions de Josephson mésoscopiques, pourvu qu'on arrive à réduire suffisamment la décohérence due à l'environnement.

Mots clés: phase coherence; thermal blurring; phase operator; condensate of pairs; coherent Fermi gases; phase diffusion; quantum hydrodynamics

Mots clés: cohérence de phase; brouillage thermique; opérateur phase; condensat de paires; gaz de fermions cohérents; diffusion de phase; hydrodynamique quantique

Domaines: Gaz Quantiques [cond-mat.quant-gas]

Hadrien Kurkjian, Yvan Castin, Alice Sinatra. Thermal blurring of a coherent Fermi gas. 2015. ⟨hal-01118346v1⟩