Making a spin-difference in quantum gases

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-06-27
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
90 + app. 45
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 78/2014
Abstract
This thesis studies the theory of quantum gases. We focus on fermionic superfluidity in systems in which the control over the spin degree of freedom has a central role. We explain the microscopic origin of the spin-asymmetric Josephon effect, and propose methods for realizing this effect experimentally in quantum gases. We investigate the phenomenon of fermionic superfluidity in the presence of spin-polarization, with our main focus on the Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) phase. We show that the FFLO pairing mechanism leads to an anisotropic speed of sound which can be used to identify the state in experiments. Using real-space dynamical mean field theory (DMFT), we compute the phase diagram of a trapped, spin-polarized Fermi gas in a dimensional crossover from a 1D to a 3D optical lattice. We find that the FFLO state is realized in a broad region of parameters throughout the crossover while the shell structure of the Fermi gas preceding the transition to the full FFLO state shows a strong dependence on the dimensionality. Finally, we utilize the cluster DMFT method to show that the FFLO state is stable against non-local quantum fluctuations even though these fluctuations do affect the critical temperature of the state.

Tässä väitöskirjassa käsitellään kvanttikaasujen teoriaa painottuen systeemeihin, joissa spin-vapausasteen kontrolloinnilla on keskeinen sija. Työssä selitetään spin-asymmetrisen Josephsonin ilmiön mikroskooppinen syntymekanismi ja esitetään menetelmiä, joilla kyseistä ilmiötä voidaan tutkia kokeellisesti kvanttikaasujen avulla. Väitöskirjassa tutkitaan spin-polarisoituneitten fermionisysteemien suprajuoksevuutta erityisenä tarkastelun kohteena Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov -tila (FFLO). Työssä osoitetaan, että FFLO-tila voidaan tunnistaa sen pariutumismekanismista aiheutuvan epäisotrooppisen äänennopeuden perusteella. Työssä sovelletaan dynaamisen keskiarvotetun kentän teoriaa (DMFT) spin-polarisoituneen fermikaasun faasidiagrammin laskentaan harmonisen loukun ja eridimensioisten hilojen tapauksessa. Keskeisenä tuloksena on, että FFLO-tila on olemassa laajalla parametrialueella kvasiyksidimensioisista hiloista kolmidimensioisiin hiloihin, mutta FFLO tilan syntyä edeltävä fermikaasun rakenne riippuu vahvasti systeemin dimensionaalisuudesta. Tämän lisäksi työssä osoitetaan, että FFLO-tila on stabiili ei-lokaalien kvanttifluktuaatioden suhteen klusteri-DMFT-menetelmällä laskettetujen tulosten perusteella, vaikka nämä fluktuaatiot muuttavatkin FFLO-tilan kriittistä lämpötilaa.
Description
Supervising professor
Törmä, Päivi, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Törmä, Päivi, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
quantum gases, superfluidity, optical lattice, Hubbard model, Josephson effect, Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov phase, generalized random-phase approximation, dynamical mean-field theory, Kvanttikaasut, suprajuoksevuus, optinen hila, Hubbardin malli, Josephsonin ilmiö, Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov -tila, yleistetty satunnaisen vaiheen approksimaatio, dynaamisen keskiarvostetun kentän teoria
Other note
Parts
  • [Publication 1]: M. O. J. Heikkinen, F. Massel, J. Kajala, M. J. Leskinen, G. S. Paraoanu, and P. Torma. Spin-Asymmetric Josephson Effect. Physical Review Letters, 105, 22, 225301, Nov 2010.
    DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.225301 View at publisher
  • [Publication 2]: M. O. J. Heikkinen and P. Torma. Collective modes and the speed of sound in the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state. Physical Review A, 83, 5, 053630, May 2011.
    DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.83.053630 View at publisher
  • [Publication 3]: M. O. J. Heikkinen, D.-H. Kim and P. Torma. Finite temperature stability and dimensional crossover of exotic superfluidity in lattices. Physical Review B, 87, 22, 224513, June 2013.
    DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.87.224513 View at publisher
  • [Publication 4]: J. M. Kreula, M. O. J. Heikkinen, F. Massel and P. Torma. Tunable critical supercurrent and spin-asymmetric Josephson effect in superlattices. Physical Review B, 89, 6, 064502, Feb 2014.
    DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.89.064502 View at publisher
  • [Publication 5]: M. O. J. Heikkinen, D.-H. Kim, M. Troyer and P. Torma. Non-local quantum fluctuations and fermionic superfluidity in the attractive Hubbard model. Submitted to Physical Review Letters, 27 Feb 2014, arXiv:1402.6939.
Citation