A microscopic description of the many-body properties of anisotropic homogeneous gases of bosonic dipoles in two dimensions is presented and discussed. By changing the polarization angle with respect to the plane, we study the impact of the anisotropy, present in the dipole-dipole interaction on different physical quantities. We restrict the analysis to the range of polarization angles where the interaction is always repulsive, although the strength of the repulsion can be strongly dependent on the orientation with respect to the polarization field. We present a study of the zero energy two-body problem which allows us to find the scattering length of the interaction and to build a suitable Jastrow many-body wave function that will be used as a trial wave function for Monte Carlo simulations of the bulk two-dimensional system of bosonic dipoles. In the first part of this work we have studied the low-density dipolar Bose gas and we find that the anisotropy has an almost negligible impact on the ground state properties of the many-body system in the universal regime where the scattering length governs the physics of the system. We also show that scaling in the gas parameter persists in the dipolar case up to values where other isotropic interactions with the same scattering length yield different predictions. We also evaluate the excitation spectrum of the dipolar Bose gas in the context of the Feynman approximation and compare the results obtained with the Bogoliubov ones. As expected, we find that these two approximations agree at very low densities, while they start to deviate from each other as the density increases. When the density of the system is increased we find that the behavior of the system depends on the value of the polarization angle of the dipolar moments of the system. At large densities and moderate values of the polarization angle the system undergoes a first-order quantum phase transition from a gas and a crystal phase. We also find that the anisotropy of the dipole-dipole potential causes an elongation of the crystalline lattice of the system in the direction where the interaction is stronger. At large polarization angles and moderate densities the system undergoes a second-order quantum phase transition from a gas to a stripe phase. Interestingly, the critical exponents of this second order transition are nearly independent of the tilting angle and are compatible with the 3D Ising and 3D XY model universality classes within the statistical uncertainty of our simulations. Finally, at high densities and large tilting angles the system shows a first order phase transition between the crystal and stripe phases. The slope of this transition curve is extremely large indicating that, due to the anisotropy of the interaction, the crystal phase of the system is no longer stable if the dipole - dipole potential is highly anisotropic. We consider the ground state of a bilayer system of dipolar bosons, which is a configuration consisting in the continement of the particles in two paralel planes by means of a trapping potential. We consider the simplest situation where dipole moments are oriented by an external field in the direction perpendicular to the parallel planes. Quantum Monte Carlo methods are used to calculate the ground-state energy, the one-body and two-body density matrix as a function of the separation between layers. We find that by decreasing the interlayer distance for fixed value of the strength of the dipolar interaction, the behavior of all the physical observables studied are compatible with the existence of a second order phase transition modulated by the inter-layer distance. In this sense, the results presented in this work are in good agreement with some previous studies of dipolar gases in a bilayer setup En este trabajo presentamos una descripción de las propiedades de los gases homogéneos de dipolos bosónicos en dos dimensiones. Cambiando el ángulo de polarización respecto a la perpendicular al plano donde las partículas están confinadas estudiamos el impacto de la anisotropía de la interacción dipolar en diferentes magnitudes físicas. El análisis se restringe al rango de ángulos de polarización en que la interacción es repulsiva aunque la intensidad pueda depender fuertemente de la orientación respecto a la dirección de polarización. El análisis del problema a dos cuerpos a energía cero nos permite evaluar la longitud de difusión de la interacción y construir una función de onda de tipo Jastrow para el sistema de muchos cuerpos. Esta función de onda será usada como función de prueba para las simulaciones Monte Carlo del sistema homogéneo de dipolos bosónicos en dos dimensiones. En la primera parte de la tesis hemos estudiado el gas de Bose dipolar en el régimen de bajas densidades, observando que el impacto de la anisotropía es negligible en las propiedades macroscópicas en el regimen donde la longitud de difusión gobierna la física del sistema. Hemos comprobado también que el escalado en el parámetro de gas persiste en el caso dipolar hasta valores donde otras interacciones isótropas con la misma longitud de difusión llevan a distintas predicciones. Hemos evaluado el espectro de excitaciones elementales del gas de Bose dipolar en el contexto de la aproximación de Feynman, comparando los resultados con los obtenidos mediante la aproximación de Bogoliubov. Como cabría esperar, las dos aproximaciones coinciden a bajas densidades y se alejan progresivamente al aumentar la densidad. Al aumentar la densidad del sistema vemos que el comportamiento del gas depende del valor del ángulo de polarización de los momentos dipolares. A altas densidades y valores moderados del ángulo de polarización el sistema experimenta una transición de fase de primer orden pasando de una fase gaseosa a una cristalina. Hemos observado también que la anisotropía de la interacción dipolar causa una elongación de la red cristalina en la dirección de interacción más intensa. Para valores elevados del ángulo de polarización y densidades moderadas el sistema muestra transición de fase, esta vez de segundo orden, en la que el sistema pasa de la fase gaseosa a una fase de bandas. Los exponentes críticos de esta transición de fase son independientes del ángulo de polarización y, dentro de los errores estadísticos de las simulaciones, son compatibles con las clases de universalidad del modelo de Ising y XY en tres dimensiones. Finalmente, a altas densidades y valores grandes del ángulo de polarización el sistema muestra otra transición de fase de primer orden entre la fase cristalina y la fase de bandas. La pendiente de esta curva de transición es extremadamente grande indicando que, debido a la anisotropía de la interacción, la fase cristalina deja de ser estable si el potencial de interacción dipolo-dipolo es muy anisótropo. En la última parte de la tesis estudiamos el estado fundamental de un sistema bicapa de dipolos bosónicos, que es una configuración en la que se confinan las partículas en dos planos paralelos mediante un potencial externo. Consideramos la situación más simple en la que los momentos dipolares están orientados por un campo externo en la dirección perpendicular a los planos. Hemos evaluado la energía del estado fundamental y las matrices densidad a uno y dos cuerpos en función de la distancia entre capas usando métodos Monte Carlo. Hemos encontrado que disminuyendo la distancia entre planos para un valor fijo de la intensidad de la interacción, el comportamiento de todos los observables estudiados es compatible con la existencia de una transición de fase de segundo orden modulada por la distancia entre capas. En este sentido, los resultados obtenidos en este trabajo muestran buen acuerdo con estudios previos de este sistema.
A microscopic description of the many-body properties of anisotropic homogeneous gases of bosonic dipoles in two dimensions is presented and discussed. By changing the polarization angle with respect to the plane, we study the impact of the anisotropy, present in the dipole-dipole interaction on different physical quantities. We restrict the analysis to the range of polarization angles where the interaction is always repulsive, although the strength of the repulsion can be strongly dependent on the orientation with respect to the polarization field. We present a study of the zero energy two-body problem which allows us to find the scattering length of the interaction and to build a suitable Jastrow many-body wave function that will be used as a trial wave function for Monte Carlo simulations of the bulk two-dimensional system of bosonic dipoles. In the first part of this work we have studied the low-density dipolar Bose gas and we find that the anisotropy has an almost negligible impact on the ground state properties of the many-body system in the universal regime where the scattering length governs the physics of the system. We also show that scaling in the gas parameter persists in the dipolar case up to values where other isotropic interactions with the same scattering length yield different predictions. We also evaluate the excitation spectrum of the dipolar Bose gas in the context of the Feynman approximation and compare the results obtained with the Bogoliubov ones. As expected, we find that these two approximations agree at very low densities, while they start to deviate from each other as the density increases. When the density of the system is increased we find that the behavior of the system depends on the value of the polarization angle of the dipolar moments of the system. At large densities and moderate values of the polarization angle the system undergoes a first-order quantum phase transition from a gas and a crystal phase. We also find that the anisotropy of the dipole-dipole potential causes an elongation of the crystalline lattice of the system in the direction where the interaction is stronger. At large polarization angles and moderate densities the system undergoes a second-order quantum phase transition from a gas to a stripe phase. Interestingly, the critical exponents of this second order transition are nearly independent of the tilting angle and are compatible with the 3D Ising and 3D XY model universality classes within the statistical uncertainty of our simulations. Finally, at high densities and large tilting angles the system shows a first order phase transition between the crystal and stripe phases. The slope of this transition curve is extremely large indicating that, due to the anisotropy of the interaction, the crystal phase of the system is no longer stable if the dipole - dipole potential is highly anisotropic. We consider the ground state of a bilayer system of dipolar bosons, which is a configuration consisting in the continement of the particles in two paralel planes by means of a trapping potential. We consider the simplest situation where dipole moments are oriented by an external field in the direction perpendicular to the parallel planes. Quantum Monte Carlo methods are used to calculate the ground-state energy, the one-body and two-body density matrix as a function of the separation between layers. We find that by decreasing the interlayer distance for fixed value of the strength of the dipolar interaction, the behavior of all the physical observables studied are compatible with the existence of a second order phase transition modulated by the inter-layer distance. In this sense, the results presented in this work are in good agreement with some previous studies of dipolar gases in a bilayer setup En este trabajo presentamos una descripción de las propiedades de los gases homogéneos de dipolos bosónicos en dos dimensiones. Cambiando el ángulo de polarización respecto a la perpendicular al plano donde las partículas están confinadas estudiamos el impacto de la anisotropía de la interacción dipolar en diferentes magnitudes físicas. El análisis se restringe al rango de ángulos de polarización en que la interacción es repulsiva aunque la intensidad pueda depender fuertemente de la orientación respecto a la dirección de polarización. El análisis del problema a dos cuerpos a energía cero nos permite evaluar la longitud de difusión de la interacción y construir una función de onda de tipo Jastrow para el sistema de muchos cuerpos. Esta función de onda será usada como función de prueba para las simulaciones Monte Carlo del sistema homogéneo de dipolos bosónicos en dos dimensiones. En la primera parte de la tesis hemos estudiado el gas de Bose dipolar en el régimen de bajas densidades, observando que el impacto de la anisotropía es negligible en las propiedades macroscópicas en el regimen donde la longitud de difusión gobierna la física del sistema. Hemos comprobado también que el escalado en el parámetro de gas persiste en el caso dipolar hasta valores donde otras interacciones isótropas con la misma longitud de difusión llevan a distintas predicciones. Hemos evaluado el espectro de excitaciones elementales del gas de Bose dipolar en el contexto de la aproximación de Feynman, comparando los resultados con los obtenidos mediante la aproximación de Bogoliubov. Como cabría esperar, las dos aproximaciones coinciden a bajas densidades y se alejan progresivamente al aumentar la densidad. Al aumentar la densidad del sistema vemos que el comportamiento del gas depende del valor del ángulo de polarización de los momentos dipolares. A altas densidades y valores moderados del ángulo de polarización el sistema experimenta una transición de fase de primer orden pasando de una fase gaseosa a una cristalina. Hemos observado también que la anisotropía de la interacción dipolar causa una elongación de la red cristalina en la dirección de interacción más intensa. Para valores elevados del ángulo de polarización y densidades moderadas el sistema muestra transición de fase, esta vez de segundo orden, en la que el sistema pasa de la fase gaseosa a una fase de bandas. Los exponentes críticos de esta transición de fase son independientes del ángulo de polarización y, dentro de los errores estadísticos de las simulaciones, son compatibles con las clases de universalidad del modelo de Ising y XY en tres dimensiones. Finalmente, a altas densidades y valores grandes del ángulo de polarización el sistema muestra otra transición de fase de primer orden entre la fase cristalina y la fase de bandas. La pendiente de esta curva de transición es extremadamente grande indicando que, debido a la anisotropía de la interacción, la fase cristalina deja de ser estable si el potencial de interacción dipolo-dipolo es muy anisótropo. En la última parte de la tesis estudiamos el estado fundamental de un sistema bicapa de dipolos bosónicos, que es una configuración en la que se confinan las partículas en dos planos paralelos mediante un potencial externo. Consideramos la situación más simple en la que los momentos dipolares están orientados por un campo externo en la dirección perpendicular a los planos. Hemos evaluado la energía del estado fundamental y las matrices densidad a uno y dos cuerpos en función de la distancia entre capas usando métodos Monte Carlo. Hemos encontrado que disminuyendo la distancia entre planos para un valor fijo de la intensidad de la interacción, el comportamiento de todos los observables estudiados es compatible con la existencia de una transición de fase de segundo orden modulada por la distancia entre capas. En este sentido, los resultados obtenidos en este trabajo muestran buen acuerdo con estudios previos de este sistema.
The object of study of this thesis are dipolar systems in the quantum degenerate regime. In general, dealing with many-body systems and evaluating their properties requires to deal with the the Schrödinger equation. In the present study we employ different Monte Carlo methods that allow to find numerical solutions to it by employing a set of stochastic techniques. The simplest one that we introduce corresponds to the Variational Monte Carlo (VMC) method, that despite its simplicity, allows to obtain variational solutions to the many-body problem. A more accurate description is provided by Diffusion Monte Carlo (DMC), that provides exact solutions for the ground state of the system when dealing with bosons. We continue presenting two methods that rely on the Feynman's path integral formalism of quantum mechanics: Path Integral Monte Carlo (PIMC) and Path Integral Ground State (PIGS), that provide exact solutions for the bosonic problem at finite and zero temperature respectively. In order to work with fermionic systems, as we do in chapter 4 of this thesis, the DMC algorithm has to be modified with the Fixed-Node (FN) approximation, what alows to avoid the sign problem. Doing so, the results obtained with DMC correspond to variational upper bounds to the energy. In chapter 3 we study the superfluid properties of a system of dipolar bosons that are fully polarized and in which the atoms are restricted to move in the plane. We also consider that all the dipolar moments form a certain tilting angle with the axis perpendicular to the plane, what allows to introduce anisotropy in the system. The phase diagram at zero temperature of this system reveals the existence of three different phases: gas, stripe and solid. Here we focus on the characterization of the superfluid properties across that phase diagram. Our calculations allow to address the question of whether the stripe phase of this system could be a candidate for the supersolid, a system that simultaneously exhibit spatial long-range order and superfluidity. By the employment of DMC and PIGS, we report finite supefluid and condensate fractions, both in the gas and the stripe phases. Then, the study is completed by performing finite temperature calculations, where the use of PIMC allows to characterize the BKT transition and to report the critical temperature at which it occurs in the different phases. Finally, by direct comparison with the predictions of the Luttinger Liquid theory, we explicitly show that the stripe phase can not be described as an ensemble of 1D isolated systems. In chapter 4, we study the fermionic dipolar system in two dimensions, focusing in the case in which all dipoles are polarized along the direction, that in this case is chosen to be the one perpendicular to the plane containing their movement. We compute the equation of state of the system in a wide range of interaction parameters. In the low density regime, the comparison of our results for the dipolar model with those of a hard-disks one allows to determine the regime of universality. On the other hand, at higher densities ( and before crystallization), we discuss the issue of itinerant ferromagnetism, that is, the possibility of having a polarized phase as the ground state of the system. The repulsive Fermi polaron with dipolar interaction, that corresponds to the limit of ultralow concentration of impurities embebed in a fermionic bath is also studied. Here we determine the regime of universality for this problem and compute observables that allow to discuss the validity of the quasi-particle picture. In the last part of the thesis, the formation of ultra-dilute dipolar droplets is studied. Our results are in agreement with experimental measurements performed with dysprosium atoms. On the other hand, the evaluation of their differences with the prediction of the extended Gross-Pitaevskii equation makes it possible to determine the limits of the mean-field approach to this problem. El objeto de estudio de esta tesis son los sistemas dipolares en el régimen cuántico degenardo. Usualmente, tratar con sistemas de muchos cuerpos y para evaluar sus propiedades requiere ser capaz de resolver la ecuación de Schrödinger. En el presente estudio, empleamos diferentes métodos de Monte Carlo, que permiten encontrar soluciones numéricas de forma estocásticas. La primera y más simple de estas técnicas es el método Variational Monte Carlo (VMC), que da una solución variacional. Una mejora sobre lo anterior consiste en emplear el método Diffusion Monte Carlo (DMC) que permite obtener soluciones exactas para el estado fundamental del sistema (cuando se estudian sistemas bosónicos). Continuamos presentando dos métodos que se basan en el formalismo Feynman de la mecánica cuántica: Path Integral Monte Carlo (PIMC) y Path Integral Ground State (PIGS), que proporcionan soluciones exactas para el problema bosónico a temperatura finita y en el límite de temperatura cero respectivamente. Para trabajar con sistemas fermionicos, como es el caso del capítulo 4 de esta tesis, el algoritmo DMC tiene que ser modificado según la prescripción Fixed-Node para evitar el problema del signo. Al hacerlo, los resultados obtenidos con DMC se corresponden a soluciones variacionales a la energía. En el capítulo 3 estudiamos las propiedades superfluidas de un sistema de bosones dipolares completamente polarizados y en el que el movimiento de los dipolos está restringido al plano. También consideramos que los momentos dipolares forman un cierto ángulo con el eje perpendicular al plano, lo que permite introducir anisotropía en el sistema. El diagrama de fases a temperatura cero de este sistema revela la existencia de tres fases diferentes: gas, stripe y sólido. Aquí nos centramos en la caracterización de las propiedades superfluidas en ese diagrama de fases. Nuestros cálculos permiten abordar la cuestión de si la fase stripe de este sistema podría ser un candidato para el supersólido: un sistema en el que dos simetrías U (1) se rompen simultáneamente, permitiendo al sistema exhibir orden espacial de largo alcance y a la vez ser superfluido. Mediante el empleo de DMC y PIGS, evaluamos la fracción superfluída y el condensado, tanto en las fases de gas como en el stripe. Este estudio se completa con la extensión a temperatura finita, donde el uso de PIMC permite caracterizar la transición superfluida y obtener la temperatura crítica a la que ésta ocurre en las fases gas y stripe. Finalmente, por comparación directa con las predicciones Líquido de Luttinger, mostramos explícitamente que la fase de stripe no puede describirse como un conjunto de sistemas 1D aislados. En el capítulo 4, estudiamos el sistema dipolar fermiónico en dos dimensiones, enfocándonos en el caso en que todos los dipolos están polarizados a lo largo de la dirección que es perpendicular al plano que contiene su movimiento. Calculamos la ecuación de estado del sistema en un amplio rango de parámetros de interacción: a baja densidad, la comparación de nuestro modelo dipolar con uno de discos duros permite determinar el régimen de universalidad, mientras que a densidades más altas (antes de la cristalización), discutimos la posibilidad de una fase polarizada como el estado fundamental del sistema (ferromagnetismo itinerante). El polaron fermiónico dipolar, correspondiente al límite de impurezas ultradiluídas en un baño fermiónico también es estudiado, determinando el régimen de universalidad y los límites de validez de la aproximación de quasi-partícula. En la última parte de la tesis, la formación de gotas dipolares ultradiluídas es estudiada. Nuestros resultados están en acuerdo con medidas experimentales con átomos de disprosio. Por otro lado, la evaluación de las diferencias entre éstos y la predicción dada por la ecuación de Gross-Pitaevskii extendida, permite evaluar los límites de la aproximación
In this Thesis, we report a detailed study of the ground-state properties of a set of quantum few- and many-body systems by using Quantum Monte Carlo methods. First, we introduced the Variational Monte Carlo and Diffusion Monte Carlo methods, which are the methods used in this Thesis to obtain the properties of the systems. The first systems we studied consist of few-body clusters in one-dimensional Bose-Bose and Bose-Fermi mixtures. Each mixture is formed by two different species with attractive interspecies and repulsive intraspecies contact interactions. For each mixture, we focused on the study of the dimer, tetramer, and hexamer clusters. We calculated their binding energies and unbinding thresholds. Combining these results with a three-body theory, we extracted the three-dimer scattering length close to the dimer-dimer zero crossing. For both mixtures, the three-dimer interaction turns out to be repulsive. Our results constitute a concrete proposal for obtaining a one-dimensional gas with a pure three-body repulsion. The next system analyzed consists of few-body clusters in a two-dimensional Bose-Bose mixture using two types of interactions. The first case corresponds to a bilayer of dipoles aligned perpendicularly to the planes and, in the second, we model the interactions by finite-range Gaussian potentials. We find that all the considered clusters are bound states and that their energies are universal functions of the scattering lengths, for sufficiently large attraction-to-repulsion ratios. Studying the hexamer energy close to the corresponding threshold, we discovered an effective three-dimer repulsion, which can stabilize interesting many-body phases. Once the existence of bound states in the dipolar bilayer has been demonstrated, we investigated whether halos can occur in this system. A halo state is a quantum bound state whose size is much larger than the range of the attractive interaction between the atoms that form it, showing universal ratios between energy and size. For clusters composed from three up to six dipoles, we find two very distinct halo structures. For large interlayer separation, the halo structure is roughly symmetric. However, for the deepest bound clusters and as the clusters approach the threshold, we discover an unusual shape of the halo states, highly anisotropic. Importantly, our results prove the existence of stable halo states composed of up to six particles. To the best of our knowledge, this is the first time that halo states with such a large number of particles have been predicted and observed in a numerical simulation. The next system we studied is a two-dimensional many-body dipolar fluid confined to a bilayer geometry. We calculated the ground-state phase diagram as a function of the density and the separation between layers. Our simulations show that the system undergoes a phase transition from a gas to a stable liquid as the interlayer distance increases. The liquid phase is stable in a wide range of densities and interlayer values. In the final part of this Thesis, we studied a system of dipolar bosons confined to a multilayer geometry formed by equally spaced two-dimensional layers. We calculated the ground-state phase diagram as a function of the density, the separation between layers, and the number of layers. The key result of our study in the dipolar multilayer is the existence of three phases: atomic gas, solid, and gas of chains, in a wide range of the system parameters. Remarkably, we find that the density of the solid phase decreases several orders of magnitude as the number of layers in the system increases. The results reported in this Thesis show that a dipolar system in a bilayer and multilayer geometries offer stable and highly controllable setups for observing interesting phases of quantum matter, such as halo states, and ultra-dilute liquids and solids. En esta Tesis, presentamos un estudio detallado de las propiedades del estado fundamental de un conjunto de sistemas cuánticos de pocos y muchos cuerpos mediante el uso de los métodos de Monte Carlo Cuántico. Primero, introducimos los métodos de Monte Carlo Variacional y Monte Carlo Difusivo que usamos en esta Tesis para obtener las propiedades de los sistemas. Los primeros sistemas que estudiamos son agregados de pocos cuerpos en mezclas unidimensionales de Bose-Bose y Bose-Fermi. Cada una de las mezclas está formada por dos especies con interacciones atractivas para interespecies y repulsivas para intraespecies. Para cada una de las mezclas nos centramos en el estudio de dímeros, tetrámeros y hexámeros. Calculamos las energías de ligadura y los valores umbrales de ruptura de los agregados. Combinando estos resultados con una teoría de tres cuerpos, extrajimos la longitud de dispersión de tres dímeros cerca del punto de ruptura dímero-dímero. Para ambas mezclas la interacción de tres dímeros resulta ser repulsiva. El siguiente sistema analizado son agregados de pocos cuerpos en una mezcla bidimensional de Bose-Bose con dos tipos de interacciones. El primer caso corresponde a una bicapa de dipolos con momentos dipolares orientados perpendicularmente a los planos y, en el segundo, modelamos las interacciones con potenciales gaussianos de rango finito. Encontramos que para relaciones de atracción-repulsión suficientemente grandes todos los agregados considerados son estados ligados y sus energías son funciones universales de las longitudes de dispersión. Estudiando la energía del hexámero cerca del punto umbral correspondiente, descubrimos una repulsión efectiva de tres dímeros, que puede estabilizar fases interesantes de muchos cuerpos. Después de demostrar la existencia de los estados ligados en la bicapa dipolar, investigamos si pueden ocurrir estados de halo en este sistema. Un estado de halo es un estado ligado cuántico cuyo tamaño es mucho mayor que el rango de la interacción atractiva entre los átomos que lo forman. Para agregados compuestos de tres hasta seis dipolos encontramos dos estructuras de halo muy distintas. Para separaciones grandes entre las capas, la estructura de halo es aproximadamente simétrica. Sin embargo, para los estados más ligados y, a medida que los agregados se acercan al punto umbral, descubrimos una estructura de halo inusual, altamente anisotrópica. Nuestros resultados demuestran la existencia de estados de halo estables compuestos de hasta seis dipolos. Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que estados de halo con un número tan grande de partículas se predicen y observan en una simulación numérica. Después, estudiamos un fluido bidimensional dipolar de muchos cuerpos confinado a una geometría de bicapa. Calculamos el diagrama de fases del estado fundamental como función de la densidad y de la separación entre las capas. Nuestras simulaciones muestran que en el sistema ocurre una transición de fase, de un gas a un líquido a medida que se incrementa la distancia entre las capas. El líquido es estable en una región amplia de densidades y de la distancia entre las capas. En la parte final de esta Tesis se estudia un sistema de bosones dipolares confinados a una geometría multicapa formada por capas bidimensionales igualmente espaciadas. Calculamos el diagrama de fases del estado fundamental como función de la densidad, la separación entre las capas y el número de capas. Encontramos que existen tres fases: gas atómico, sólido y gas de cadenas, en una región amplia de los parámetros del sistema. La densidad del sólido disminuye varios órdenes de magnitud a medida que el número de capas en el sistema aumenta. Los resultados reportados en esta Tesis muestran que un sistema de dipolos confinados a una bicapa o multicapa ofrece configuraciones estables y altamente controlables para observar fases interesantes de materia cuántica, como estados
A microscopic description of the zero-energy two-body ground state and many-body static properties of anisotropic homogeneous gases of bosonic dipoles in two dimensions at low densities is presented and discussed. By changing the polarization angle with respect to the plane, we study the impact of the anisotropy, present in the dipole-dipole interaction, on the energy per particle, comparing the results with mean-field predictions. We restrict the analysis to the regime where the interaction is always repulsive, although the strength of the repulsion depends on the orientation with respect to the polarization field. We present a series expansion of the solution of the zero-energy two-body problem, which allows us to find the scattering length of the interaction and to build a suitable Jastrow factor that we use as a trial wave function for both a variational and diffusion Monte Carlo simulation of the infinite system. We find that the anisotropy has an almost negligible impact on the ground-state properties of the many-body system in the universal regime where the scattering length governs the physics of the system. We also show that scaling in the gas parameter persists in the dipolar case up to values where other isotropic interactions with the same scattering length yield different predictions.
The energy of ultra-dilute quantum many-body systems is known to exhibit a universal dependence on the gas parameter x=n a_0^d x = n a 0 d , with n n the density, d d the dimensionality of the space ( d=1,2,3 d = 1 , 2 , 3 ) and a_0 a 0 the s s -wave scattering length. The universal regime typically extends up to x\approx 0.001 x ≈ 0.001 , while at larger values specific details of the interaction start to be relevant and different model potentials lead to different results. Dipolar systems are peculiar in this regard since the anisotropy of the interaction makes a_0 a 0 depend on the polarization angle \alpha α , so different combinations of n and \alpha α can lead to the same value of the gas parameter x. In this work we analyze the scaling properties of dipolar bosons in two dimensions as a function of the density and polarization dependent scattering length up to very large gas parameter values. Using Quantum Monte Carlo (QMC) methods we study the energy and the main structural and coherence properties of the ground state of a gas of dipolar bosons by varying the density and scattering length for a fixed gas parameter. We find that the dipolar interaction shows relevant scaling laws up to unusually large values of x x that hold almost to the boundaries in the phase diagram where a transition to a stripe phase takes place.
Recent experimental advances in creating stable dipolar systems, including polar molecules with large electric dipole moments, have led to vigorous theoretical activities. Here we discuss our work on homogeneous 2D dipolar bosons with dipoles oriented at an angle to the direction perpendicular to the confining 2D plane, i.e. for non-zero tilt angles. Using Bogoliubov-de Gennes equations, we obtain T=0 excitation spectrum of the dipolar Bose gas, and explore instabilities at varying tilt angle, density and dipolar coupling. We map out a phase diagram a function of tilt angle, dipole strength and density. We find the development of maxon-roton behavior leading to roton instabilities at large densities for small tilt angles, and at low densities for large tilt angles. The behavior is anisotropic in k-space; accordingly the roton instabilities occur in the k y direction, suggestive of inhomogeneity and stripe phase, with density mode becoming soft in the y direction. Our results compare favorably with existing Quantum Monte Carlo calculations for non-zero tilt angles.
Dipolar quantum gases, encompassing atoms and molecules with significant dipole moments, exhibit unique long-range and anisotropic dipole-dipole interactions (DDI), distinguishing them from systems dominated by short-range contact interactions. This review explores their behavior across dimensions, focusing on magnetic atoms in quasi-2D in comparison to 3D. In 3D, strong DDI leads to phenomena like anisotropic superfluidity, quantum droplets stabilized by Lee-Huang-Yang corrections, and supersolid states with density modulations. In 2D, we discuss a new scenario where DDI induces angle-dependent Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transitions and potential supersolidity, as suggested by recent experimental realizations of strongly dipolar systems in quasi-2D geometries. We identify key challenges for future experimental and theoretical work on strongly dipolar 2D systems. The review concludes by highlighting how these unique 2D dipolar systems could advance fundamental research as well as simulate novel physical phenomena.