Dynamika dwuskładnikowego wzajemnie odpychającego się gazu fermionów w skończonej temperaturze

Abstract

Długoletni opis wędrującego ferromagnetyzmu zaproponowany przez Stonera aktualnie jest testowany doświadczalnie. Tak jak przewidział, wolne (niezlokalizowane) elektrony stają się ferromagnetyczne kiedy krótkozasięgowe odpychanie Columbowskie pomiędzy cząstkami o przeciwnych spinach staje się wystarczająco silne aby przezwyciężyć ciśnienie Fermiego. W niedawnym doświadczeniu [G. Valtolina et al., Nat. Phys. 13, 704 (2017)] pomysł Stonera był testowany doświadczalnie. W mojej pracy uzywając dwóch metod próbuję opisac wyniki tego doświadczenia. W pierwszym modelu zastosowałem metodę orbitali atomowych w połączeniu z metodą Monte Carlo opartą o próbkowanie aby opisać skończoną temperaturę. Obliczenia numeryczne przeprowadzone zostały dla 24+24 atomy. Pomimo tego, że liczba atomów była mała otrzsymane wyniki zgadzają się ilościowo z doświadczeniem. W drugim modelu badałem dynamikę dwuskładnikowej mieszaniny fermionów w skończonych temperaturach używając funkcjonału gętości. W tym modelu mogłem używać dużych liczb atomów takich jak w doświadczeniu. Obliczenia numeryczne wykonane dla 1000+1000 atomów i 50000+50000 atomów (tak jak w doświadczeniu) dla oscylacji spin-dipolowych pokazały że faza ferromagnetyczna pojawia się przy coraz większej sile oddziaływania pomiędzy składnikami mieszaniny kiedy temperatura rośnie. Uzyskałem bardzo dobrą zgodność z wynikami doświadczalnymi.

The long-standing picture of itinerant ferromagnetism posed by Stoner in his pioneering work is now tested experimentally. As he predicted, free (i.e., not localized) electrons become ferromagnetic when a short-range screened Coulomb repulsion between opposite spin particles gets strong enough to overcome the Fermi pressure. n the recent experiment [G. Valtolina et al., Nat. Phys. 13, 704 (2017)] the Stoner idea was tested experimentally. In my thesis Itry to describe the results of this experiment using two approaches. In this model I apply the atomic-orbital method combined with a Monte Carlo technique based sampling to probe finite temperatures. Numerical calculations were done for 24+24 atoms. Even thought the number of atoms is small, results agree quantitatively with experiment. In the second model I investigate the finite-temperature dynamics of a two-component fermionic mixture by using a density-functional-like description. This model is able to handle large numbers comparable o the experiment. Numerical calculations were done 1000+1000 atoms and 50000+50000 atoms (like in experiment) for spin-dipole oscilations, demonstrating that the ferromagnetic phase shows up at a stronger repulsion between components wihle the temperature rises. I obtain a good agreement with experimental data.