Teknologiske fremskritt i ultrakalde atom-eksperimenter har over de siste 20 årene økt interessen for fysisk intuitive Hamilton-funksjoner som kan brukes til å undersøke fundamentale vekselvirkninger i sterkt korrelerte systemer. Motivert av dette, ser vi på en Bose-Hubbard modell for bosoniske atomer i et triangulært gitter-potensiale med to interne pseudo-spinn frihetsgrader som vekselvirker via spinn-bane kobling. I det sterkt koblede regimet utleder vi en effektiv spinn Hamilton-funksjon der spinnene vekselvirker via en Heisenberg, Dzyaloshinskii-Moriya og ikke-diagonal kompass-interaksjon. Dette gir en generell modell der vi kan se på flere interessant kvante-magnetiske modeller. Ved hjelp av Monte Carlo simuleringer ser vi på magnetiske grunntilstands-teksturer for ulike styrker av spinn-bane kobling og spredningstyrke for partikler med likt og ulikt spinn. Ved å kombinere resultatene fra Monte Carlo med en variasjons-metode kommer vi frem til et null-temperatur fasediagram med ferromagnetiske, spiral, stripe og virvel-faser. Vi bruker også Monte Carlo simuleringer til å undersøke hvordan disse fasene blir påvirket av termiske fluktuasjoner. Dette blir gjort ved å måle spinnstivhet på to ulike måter. Simuleringer for en fullstendig isotrop Heisenberg-modell viser at de to metodene gir kvalitativt like resultater, men fremgangsmåten vår fungerer ikke når vi generaliserer spin-modellen til å inkludere Dzyaloshinskii-Moriya vekselvirkninger. I XY-modellen bekrefter vi at det finnes kvasi-langtrekkende ordning på det triangulære gitteret, noe som allerede er vel etablert. Videre finner vi en svakere ordning for Heisenberg-modellen, karakterisert som pseudo-kritisk oppførsel.
Teknologiske fremskritt i ultrakalde atom-eksperimenter har over de siste 20 årene økt interessen for fysisk intuitive Hamilton-funksjoner som kan brukes til å undersøke fundamentale vekselvirkninger i sterkt korrelerte systemer. Motivert av dette, ser vi på en Bose-Hubbard modell for bosoniske atomer i et triangulært gitter-potensiale med to interne pseudo-spinn frihetsgrader som vekselvirker via spinn-bane kobling. I det sterkt koblede regimet utleder vi en effektiv spinn Hamilton-funksjon der spinnene vekselvirker via en Heisenberg, Dzyaloshinskii-Moriya og ikke-diagonal kompass-interaksjon. Dette gir en generell modell der vi kan se på flere interessant kvante-magnetiske modeller. Ved hjelp av Monte Carlo simuleringer ser vi på magnetiske grunntilstands-teksturer for ulike styrker av spinn-bane kobling og spredningstyrke for partikler med likt og ulikt spinn. Ved å kombinere resultatene fra Monte Carlo med en variasjons-metode kommer vi frem til et null-temperatur fasediagram med ferromagnetiske, spiral, stripe og virvel-faser. Vi bruker også Monte Carlo simuleringer til å undersøke hvordan disse fasene blir påvirket av termiske fluktuasjoner. Dette blir gjort ved å måle spinnstivhet på to ulike måter. Simuleringer for en fullstendig isotrop Heisenberg-modell viser at de to metodene gir kvalitativt like resultater, men fremgangsmåten vår fungerer ikke når vi generaliserer spin-modellen til å inkludere Dzyaloshinskii-Moriya vekselvirkninger. I XY-modellen bekrefter vi at det finnes kvasi-langtrekkende ordning på det triangulære gitteret, noe som allerede er vel etablert. Videre finner vi en svakere ordning for Heisenberg-modellen, karakterisert som pseudo-kritisk oppførsel.
Populärvetenskaplig sammanfattningDen här avhandlingen behandlar teoretiska studier av modeller utav främst två typer.Dels studeras så kallade Bose-Hubbard-modeller, vilka är kvantmekaniska modeller som beskriver hur partiklar hoppar (genom kvantmekanisk tunnling) mellan olika potentialbrunnar.Denna typ av modell har blivit väldigt uppmärksammad under de senaste tjugo åren på grund av den snabba utvecklingen inom Bose-Einstein-kondensation.Bose-Einstein-kondensat bildas då vissa typer av atomer kyls ner till extremt låga temperaturer, vilket leder till att en stor andel av atomerna hamnar i samma kvanttillstånd.Detta betyder att vissa kvantmekaniska egenskaper som vanligtvis bara är urskiljbara på atomär nivå nu blir makroskopiskt observerbara.Genom att placera ett Bose-Einstein-kondensat i en stående våg som genererats av laserljus, så kommer atomerna i kondensatet antingen att dras till vågens bukar eller noder (beroende på atomslag).Effektivt sett så blir detta en periodisk potential för atomerna, vilket påminner om den som elektronerna i en metall känner av.Bose-Hubbard-modellen beskriver alltså hur de Bose-Einsteinkondenserade atomerna hoppar mellan den stående vågens olika potentialbrunnar (dvs noder eller bukar), men tar också hänsyn till de krafter som finns mellan atomerna själva.Den andra typen av modell som studeras är av så kallad diskret icke-linjär Schrödinger (DNLS) typ, som beskriver fält som är lokaliserade i brunnarna, istället för partiklar.Denna typ av modell går faktiskt också att applicera på Bose-Einstein-kondensat, då fälten beskriver en form utav medelvärdesbildning av antalet partiklar i brunnarna.Det går att visa matematiskt att Bose-Hubbardmodeller kan approximeras med DNLS-modeller då det är många partiklar i varje brunn.DNLS-modeller är även tillämpbara på många andra typer av system, till exempel kopplade optiska vågledare.Vågledare är, vilket namnet antyder, strukturer som kan leda ljusvågor längs med sig.Ett välbekant exempel på vågledare är optiska fibrer, men det finns även andra typer.Genom att placera flera vågledare nära varandra så kan ljus överföras från en vågledare till en annan, på ett sätt som påminner om hur atomerna i ett Bose-Einstein-kondensat kan hoppa mellan olika brunnar.DNLS-modeller beskriver alltså hur ljuset hoppar mellan olika vågledare, men tar också hänsyn till ljusets (icke-linjära) interaktion med vågledaren själv.Forskningen som presenteras i denna avhandling kan delas upp i två delar.Dels vii viii behandlar den nya typer av lösningar till DNLS-modeller.Detta har handlat om virvlar (roterande lösningar) som spontant byter rotationsriktning, men också om lokaliserade lösningar (diskreta 'breathers') i DNLS-modeller där brunnarna har placerats i en ring, med en ytterligare brunn i mitten.Den andra forskningsdelen har handlat om att studera kopplingen mellan Bose-Hubbard-och DNLS-modeller.Mer specifikt så har vi letat efter signaturer i Bose-Hubbard-modeller utav särskilda lösningar och beteenden i motsvarande DNLSmodeller.Detta har dels varit så kallade kompaktoner, för vilka alla brunnar förutom ett fåtal är helt tomma, där vi studerat hur motsvarande kvantmekaniska lösningar ser ut, och även dynamiken för dessa lösningar.Ett annat forskningsprojekt behandlade en viss typ av instabilitet hos en särskild lösning, och vilka kvantsignaturer den lämnar.Vi har även studerat signaturer av de ovannämnda virvlarna, vilka vi studerade i DNLS-modellen.
Trippel-spin kvanteprikker i GaAs har tidligere blitt foreslått som kandidat til kvante bit. Begrensningene til slike systemer følger av den hyperfine interaksjonen mellom elektronene og atomkjernene i vertsmaterialet, som forårsaker tap av fasen til elektronenes kvantetilstand og dermed tap av informasjon. Det effektive feltet atomkjernene utøver på elektronene vil svinge tilfeldig som gjør det vanskelige å kompensere for. I denne avhandlingen vil vi se på muligheten for å begrense størrelsen på disse svingningene gjennom Landau-Zener overganger mellom tilstanden |0> og |Q3/2>, som vil forårsake forandring av spin-retningen til atomkjernene.\n\nEn Hubbard Hamilton-funksjon vil bli brukt og leder til stabilitets-diagram for ladning over de tre prikkene. Dette diagrammet viser de mulige overgangene mellom elektron konfigurasjoner på prikkene som funksjon av det elektroniske potensialet man setter over hver av dem. Ved hjelp av dette diagrammet kan man begrense de mulige tilstandene til systemet ved å tilpasse potensialene. Vi vil bruke konfigurasjonene (2,0,1), (1,1,1) og (1,0,2) som deretter angir de mulige tilstandene. Disse tilstandene kan deles inn i forskjellige grupper med forskjellige spin-tall Sz og vi vil bruke tilstandene som tilhører Sz = 1/2 og Sz = 3/2. Dette vil utgjøre totalt seks tilstander.\n\nEgentilstandene til systemet kan bli funnet ved hjelp av numeriske metoder og vårt valg av logiske tilstander {|0>,|1>} vil utgjøre de to laveste tilstandene med Sz = 1/2. På grunn av forskjellen i Zeeman-energi mellom |0> og |Q3/2> kan man oppnå et krysningspunkt i energiene deres ved å justere et ytre magnetisk felt. Dette krysningspunktet kan brukes i Landau-Zener overganger for å endre orientering til elektronets spin, som igjen vil resultere i en endring i atomkjernenes spin.\n\nThe effektive magnetiske feltet som utøves på elektronene vil påvirke krysningspunktet til energiene. Dette feltet er igjen påvirket av spin-tilstanden til atomkjernene og dette fører sammen til en tilbakekoblingsprosess. For å simulere effecten av denne prosessen anvender vi den numerisk beregnede |0> og drar nytte av smarte metoder for å sveipe gjennom krysningspunktet. Dette vil vi vise har en effekt på svingningene til det effektive feltet fra atomkjernenes spin som indikerer at en slik metode kan anvendes for å minske effekten av den hyperfine interaksjonen. Slik redusering er fundamentalt for å anvende slike systemer som kvante bit.\n\nVi presenterer også et analytisk uttrykk for |0> funnet gjennom perturbasjonsteori som gjelder for alle ε, hvis man antar fravær av hyperfin interaksjon. Dette er et første steg i analytisk forståelse av tids dynamikken til polariseringen som følge av Landau-Zener overganger.
Les systèmes fortement corrélés, pouvant adopter des phases surprenantes de la matière, émergent dans le domaine des atomes ultra-froids ou dans celui de l’électrodynamique quantique en cavité (CQED). Ceux-ci sont au centre d’intenses travaux expérimentaux et théoriques. Dans cette thèse, nous présentons une étude de deux modèles de bosons avec deux ou zéro états internes. Ceux-ci peuvent se déplacer sur un réseau, et sont localement couplés avec des spins 1/2. Notre intérêt réside dans la détermination du diagramme de phase de l’état fondamental de ces systèmes ainsi que de l’étude des propriétés de phase et des transitions entre ces dernières. Nous avons utilisé deux outils : une approximation de champ moyen et des simulations de Monte-Carlo quantique, qui fournit des résultats numériquement exacts. Le premier modèle, appelé modèle de Kondo bosonique sur réseau, s’inscrit dans le contexte des atomes ultra-froids sur réseau. Nous trouvons que sa physique est proche de celle du modèle de Bose-Hubbard, présentant des phases de Mott et superfluide. Le couplage local renforce le caractère isolant et on observe l’émergence de phases magnétiques au travers de couplage direct ou indirect entre bosons et/ou spins. Les effets thermiques, inhérents à tout dispositif expériemental, sont aussi étudiés. Le second modèle s’inscrit dans le domaine de la CQED sur réseau, décrit un régime de couplage ultra-fort entre des photons et des atomes, et est appelé modèle de Rabi sur réseau. Le diagramme de phase présente juste deux phases : une phase cohérente dans laquelle les spins locaux s’ordonnent ferromagnétiquement ainsi qu’une phase incohérente compressible paramagnétique
I denne masteroppgaven tar vi for oss svakt vekselvirkende Bosegasser, og vi skal se at et slik system har en annen oppførsel enn en ideell gass selv ved temperatur T=0. I tillegg skal vi finne en effektiv feltteori for et ikke-relativistisk superfluid med spontant brutt global U(1)-symmetri. Den effektive feltteorien vil vi sammenligne med feltteorien for svakt vekselvirkende Bosegasser, og vi skal bruke den til å studere korrelasjonsfunksjonen ved endelig temperatur i én, to og tre romlige dimesjoner. Da skal vi se at Bose-Einstein kondensasjon ikke vil skje i én dimensjon selv ved T=0, og heller ikke i to dimensjoner når T>0. I disse tilfellene vil systemet imidlertid inneholde et kvasikondensat og ha egenskaper som et superfluid. Oppgaven er strukturert som følger: I kapittel 1 gir vi en introduksjon til Bose-Einstein kondensasjon ved å studere en ideell Bosegass, og vi skal se at gassen endrer oppførsel når temperaturen synker under en bestemt kritisk temperatur. I kapittel 2 blir det gitt en innføring i grunnleggende teori, som resten av oppgaven bygger på, og i kapittel 3 og 4 fortsetter vi med å studere svakt vekselvirkende Bosegasser. Her tar vi for oss Bogoliubovs metode og ser hvordan den beskriver en svakt vekselvirkende Bosegass ved T=0. Videre i kapittel 5, ser vi på spontane symmetribrudd med det mål å gi bedre innsikt i hva som skjer når en Bosegass kondenserer. Her blir også Goldstones teorem introdusert. I det neste kapittelet utvikler vi en effektiv feltteori for et ikke-relativistisk superfluid med brutt global U(1)-symmetri og sammenligner den med feltteorien for svakt vekselvirkende Bosegasser. Til slutt gjør vi et nærmere studium av den effektive feltteorien og bruker den til å studere korrelasjonsfunksjonen ved lange avstander.
Les systèmes fortement corrélés, pouvant adopter des phases surprenantes de la matière, émergent dans le domaine des atomes ultra-froids ou dans celui de l’électrodynamique quantique en cavité (CQED). Ceux-ci sont au centre d’intenses travaux expérimentaux et théoriques. Dans cette thèse, nous présentons une étude de deux modèles de bosons avec deux ou zéro états internes. Ceux-ci peuvent se déplacer sur un réseau, et sont localement couplés avec des spins 1/2. Notre intérêt réside dans la détermination du diagramme de phase de l’état fondamental de ces systèmes ainsi que de l’étude des propriétés de phase et des transitions entre ces dernières. Nous avons utilisé deux outils : une approximation de champ moyen et des simulations de Monte-Carlo quantique, qui fournit des résultats numériquement exacts. Le premier modèle, appelé modèle de Kondo bosonique sur réseau, s’inscrit dans le contexte des atomes ultra-froids sur réseau. Nous trouvons que sa physique est proche de celle du modèle de Bose-Hubbard, présentant des phases de Mott et superfluide. Le couplage local renforce le caractère isolant et on observe l’émergence de phases magnétiques au travers de couplage direct ou indirect entre bosons et/ou spins. Les effets thermiques, inhérents à tout dispositif expériemental, sont aussi étudiés. Le second modèle s’inscrit dans le domaine de la CQED sur réseau, décrit un régime de couplage ultra-fort entre des photons et des atomes, et est appelé modèle de Rabi sur réseau. Le diagramme de phase présente juste deux phases : une phase cohérente dans laquelle les spins locaux s’ordonnent ferromagnétiquement ainsi qu’une phase incohérente compressible paramagnétique
Quantum simulation of spin models with large arrays of Rydberg atoms Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale prometteuse pour la simulation quantique de modèles de spins. Lors de cette thèse, nous avons d’abord perfectionné la plateforme en augmentant le nombre d’atomes manipulables d’une quarantaine à environ deux cents, et en améliorant d’un facteur dix la cohérence quantique du système. Nous avons ensuite revisité le modèle d’Ising en excitant de manière cohérente plus d’une centaine d’atomes depuis leur état électronique fondamental vers un niveau de Rydberg. Les simulations numériques de l’évolution de notre système sont difficiles à réaliser compte tenu du nombre de particules, ce qui signifie que l’exploration numérique du modèle d’Ising est limitée. Nous avons utilisé ce fait à notre avantage pour explorer avec notre simulateur quantique des phénomènes comme les transitions de phase quantiques, ou la recherche des états fondamentaux du système. Cela rapproche la plateforme de son but originel : il s‘agit d’un nouveau moyen d’étudier des systèmes complexes pour lesquels les simulations numériques sont limitées. Nous avons ensuite utilisé un autre régime d’interaction entre atomes de Rydberg pour implémenter de nouveaux modèles de spins permettant d’étudier une grande variété de phénomènes physiques. Nous nous sommes d’abord penchés sur la réalisation d’une interaction à valeur complexe en utilisant le couplage spin-orbite intrinsèque à l’interaction dipôle-dipôle. Cette interaction simule le mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique et permet d’étudier les propriétés topologiques de la matière comme l’effet Hall quantique. Nous avons ensuite implémenté le modèle d’Heisenberg avec une anisotropie programmable, en combinant l’interaction dipolaire résonante avec un champ micro-ondes externe. Ce modèle, très présent dans la description des matériaux magnétiques, permet aussi d’étudier des phénomènes comme la supraconductivité, la superfluidité ou la supersolidité.