Probing itinerant ferromagnetism with ultracold quantum gases

Datum: 19 mei 2016

Locatie: UAntwerpen, Campus Drie Eiken, Promotiezaal Q0.02 - Universiteitsplein 1 - 2610 Antwerpen-Wilrijk

Tijdstip: 16 uur

Promovendus: Enya Vermeyen

Promotor: Jacques Tempere

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Enya Vermeyen - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

Itinerant ferromagnetisme is spontane polarisatie van niet-gelokaliseerde (itinerante of 'wandelende') deeltjes, oftewel ferromagnetisme in een gas. In een Fermi gas met twee componenten verlaagt polarisatie de interactie energie via de zogenaamde exchange interacties, ten koste van een toename in de kinetische energie. Daarom wordt itinerant ferromagnetisme enkel verwacht bij sterk repulsieve interacties tussen de deeltjes.

Hoewel dit mechanisme reeds in 1929 werd voorgesteld door F. Bloch voor een vrij elektronengas, kon het nog altijd niet experimenteel vastgesteld worden. Ultrakoude kwantumgassen zijn experimenteel zeer goed aanpasbaar en controleerbaar, en bovendien veel zuiverder dan vaste stoffen. Daarom werden ultrakoude kwantumgassen voorgesteld als een modelsysteem voor de experimentele realisatie van itinerant ferromagnetisme, maar ook daar kon het niet gevonden worden. De repulsieve tak van de Feshbach resonantie die gebruikt wordt om de interactiesterkte tussen de deeltjes aan te passen is helaas instabiel. Het experiment werd volledig gedomineerd door moleculevorming, wat de vorming van eventuele magnetische domeinen onderdrukte.

Het grote verschil tussen de theoretische voorspellingen en de experimentele resultaten vormde de aanleiding om de basis theorie van itinerant ferromagnetisme te herbekijken in mijn doctoraatsonderzoek. Meer specifiek heb ik onderzocht hoe de directe en exchange interacties behandeld worden in het Hartree kanaal van het padintegraal formalisme, en hoe deze beschrijving verbeterd kan worden.

In het eerste deel van mijn doctoraat heb ik de beschrijving voor contact interacties onderzocht in de zadelpuntsbenadering. Ik ontdekte dat in het Hartree kanaal alle zadelpunten van de vrije energie instabiel zijn tegen dichtheidsfluctuaties. Om te onderzoeken waar deze instabiliteit vandaan komt heb ik de bestaande padintegraalbeschrijving uitgebreid naar een algemenere vorm van de interactiepotentiaal. In deze uitgebreide beschrijving kon ik aantonen dat de exchange interacties verloren gaan in de zadelpuntsbenadering. Om de exchange interacties toch te kunnen meenemen heb ik een nieuwe techniek ontwikkeld, waarbij het Pauli uitsluitingsprincipe kunstmatig opgelegd wordt via een gemodificeerde interactiepotentiaal. Deze techniek heb ik toegepast om de stabiliteit van itinerant ferromagnetisme in 3D te bestuderen. De resultaten suggereren dat stabiliteit tegen dichtheidsfluctuaties een belangrijke factor is om rekening mee te houden bij het bestuderen van itinerant ferromagnetisme, omdat dit het itinerant ferromagnetische gebied in de fasediagrammen sterk beperkt. Er is echter nog verder onderzoek nodig om deze resultaten uit te breiden naar het experimentele systeem. Als laatste heb ik aangetoond dat de nieuwe methode niet exact is: het Pauli uitsluitingsprincipe is niet hetzelfde als een interactiepotentiaal, omdat ze op een andere wijze Fourier transformeren.