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Antoine Georges Cycle 2014-2015 1 er juin 2015 – III.3 Chaire de Physique de la Matière Condensée III.3 Transport mésoscopique et effets thermoélectriques dans les gaz atomiques ultra-froids

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Antoine Georges Cycle 2014-2015

1er juin 2015 – III.3

Chaire de Physique de la Matière Condensée

III.3 Transport mésoscopique et effets thermoélectriques

dans les gaz atomiques ultra-froids

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Ultra-Cold Atomic Gases

BEC COOLING

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Crossing Borders: from Quantum Optics to Condensed Matter Physics

Superfluid to Mott Insulator Transition Greiner, Bloch, Esslinger et al. Nature 2002 [Garching MPI]

Imaging Fermi Surfaces Michael Köhl et al. PRL 94, 080403 (2005) [ETHZ]

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Phase coherence between wells in superfluid phase >interference pattern

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Cold Atoms and Condensed Matter Physics: comparing characteristic scales

Slide: courtesy J-P Brantut

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An emerging field: transport experiments with ultra-cold atomic gases

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Conductance Quantization

observed !

Krinner et al. Nature 517, 65 (2015) Tilman Esslinger’s group @ETH-Zurich

Imprinted potential realizing a quantum point-contact

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Cold atoms in a warm atmosphere – Thanks to:

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Generic set-up in the following: Two reservoirs and a constriction

Onsager Matrix L

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Constrictions and Quantum Fluids: Older and Newer Incarnations

``Superlink’’ Allen and Jones, Nature, 1938

Brantut et al. Science, 337, 1069 (2012)

Picture: Courtesy T.Esslinger et al. ETH

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Courtesy: JP Brantut

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Courtesy: Lithium 6 team, ETHZ

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Particle and entropy currents:

Onsager Coefficients describing transport in the constriction in the linear response regime

N,S particle number and entropy IN,IS: currents

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Measuring the Conductance by transient `discharge’

- from ballistic to diffusive - Science, 337, 1069 (2012)

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Dynamics of equilibration: The thermodynamic properties of the reservoirs

AND the transport in the constriction BOTH play a role

Consider the simplest case with an initial particle-number imbalance, no temperature imbalance, L12=0, and linear-response applies (small deviations from equilibrium) : Dynamics of the particle flow:

Thermodynamics in the reservoirs: (κ ~ compressibility of gas in reservoir)

Combining: Same for ΔN

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cf. discharge of a capacitor:

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(Calculation: C.Grenier) Slide: JP Brantut

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Thermal equilibration between reservoirs in the absence of thermoelectric effects (L12=0)

With the heat capacity at constant chemical potential:

In the presence of coupling between T and µ either via transport (L12) or thermodynamics (dilatation coeff.), the evolution of µ and T become coupled

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A note in passing: a novel (?) interpretation of Wiedemann-Franz law

For a free Fermi gas, as Tà0 (cf. previous lectures):

Hence, the particle and thermal equilibration times are the same as Tà 0 !

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Probing Thermo`electric’ Effects in Ultra-Cold Gases

Science, 342, 713 (2013) See also: Cheng Chin et al.

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« Smoking-gun » for thermoelectric effects: the theoretical proposal arXiv:1209.3942

During equilibration: particle first flow from hot to cold, then backflow from cold to hot !

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Initial flow against the bias !

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Simple physical picture: transmission increases with energy and more high-energy states are populated

in hot reservoir

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Thermoelectric transport through a cold atomic gas constriction

- Quantitative theory -

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Thermodynamics of the reservoirs: non-diagonal terms

Grand-potential:

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Expressions for a free Fermi gas:

Note formal similarity with the expression of the Onsager coefficients for transport ! Transport function à DOS

Same (general) constraints apply (around equilibrium state):

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Note: αr > 0 for a Fermi gas with DOS growing with energy

Thermodynamic analogue of Lorenz number

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Transport coefficients of channel

Lorenz number

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Transmission coefficient

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Currents and Discharge

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+

-

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Prospects: Peltier-cooling of atomic gases (= Evaporating particles AND holes !)

C.Grenier, C.Kollath & AG – Phys Rev Lett 113, 200601 (2014)

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Other  Cooling  procedures  

•   Fermionic  atoms    pre-­‐cooled  in  a  dipole  trap  •   Apply  a  3d  op4cal  la5ce  poten4al  •   Done  in  the  presence  of  weak  U  

•   Create  a  dimple  in  the  middle  of  the  trap    •   Raise  poten4al  barriers  

•   Remove  the  atoms  from  the  storage  region        

•   Relax  the  core  region  to  the  desired  quantum        phase  

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MERCI DE VOTRE PARTICIPATION AU COURS !

------ … Une note personnelle…

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Campus de l’Université Joseph Fourier

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Il y a 123 ans…

Paul Janet 1863-1937

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Physical Interpretation of the Coefficients of the Thermodynamic Matrix :

K11 ~ Compressibility :

Must be positive (otherwise phase separation)

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K12 ~ Thermal expansion coefficient at constant µ:

Importantly for the following, this coefficient can be positive or negative. Alternatively its sign can be related to the variation of µ as a function of temperature at constant density:

µ decreases with T à αr > 0 à Δn , ΔT same sign at constant µ

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We have seen that At constant density: “stopping condition”

cf. analogy with thermal conductivity calculation

Positivity of K22 and det K follows from the second principle of thermodynamics