Ultracold spin-polarized fermi gases with spin-orbit coupling

Abstract

Süperakışkanlık Fiziğin bircok alanında karsımıza çıkan önemli bir fenomendir.İlk olarak H. K. Onnes tarafndan 1911 yılında civa'yı 4.2 kelvinin altınaindirince bulunmustur. Civanın elektirigi sürtünmesiz ilettigini bulmustur.Fermionik ve bozonik sistemlerin ikiside bu süperakıskanlık özelligi gösterebilirve bu tezde fermionik süperakışkanlıga odaklandık.Bu tezin ana kısmında spin-orbit etkilesimli Fermi gazlarnn en dusukenerji seviyesindeki ozelliklerini inceledik. Ilk olarak Cooper ciftlerinin olusumunu,onların yogunlasmasını ve baz superiletkenlerin ozelliklerini acıklayan BCSteorisini analiz ettik. Daha sonra, guclu etkilesim alanına gecmek icin BCSteorisinin genellemesi olan BCS-BEC gecisini calıstık. Atomik sistemlerde fermionlar aras etkilesimi kontrol edebiliyoruz ve bu sayede BCS limitde zayıfca baglanmıs ve birbirlerinin uzerine örtüsmuüs Cooper ciftlerindenBEC limit de sıkıca bağlı bozon molekullerine gecebiliyoruz. Eger atomlardakibu ozellik olmasayd, ultra düsük sıcaklıktaki atomlar ile yaplanbu deneylerde süperakıskan geçiş sıcaklıgına erişmek imkansız olacaktı. Butezin ana bolumunde BCS-BEC gecisini spin-orbit etkilesiminide ekleyerekcalıstık ve en dusuk enerji seviyesindeki faz diagramn, enerji spetkrumunuve momentum dagılımını inceledik. Son bolumde, sistemi optik orgulerdecözmeye çalıstık.

Superuidity is one of the most remarkable phenomenon that we come acrossin many distinct elds of Physics. It was rst found by H. K. Onnes in 1911when he cooled the mercury sample below 4.2 Kelvin. He found that sampleconducted electricity without dissipation called superconductivity. Bothbosonic and fermionic system can exhibit superuidity although their criticaltemperatures are dierent, and we focus on the fermionic superuidityin the thesis.In the main part of my thesis, we study ground-state properties of ultracoldquantum Fermi gases with spin-orbit coupling. The formation ofCooper pairs and their condensation, i.e. the BCS theory which successfullydescribes many properties of some superconductors, are analyzed rst.Then, we examine the BCS-BEC evolution, the generalization of the BCStheory, to pass the strong interaction regime. Atomic systems have the advantageof tunable interaction strength between fermions, and this permitsthe system to evolve from the BCS limit of loosely bound and largely overlappingCooper pairs to the BEC limit of tightly bound bosonic molecules,i.e. the study of BCS-BEC evolution. Without this property, it is hopelessto reach the transition temperature of the superuity in the experiment withcold atoms. In the main part of the thesis work, we study the eects of spinorbitcoupling on the BCS-BEC evolution problem, and analyze the groundstate phase diagrams, excitation spectrum, and momentum distribution. Inthe last part, we also try to solve the system in an optical lattice.