La tesis presenta un estudio teorico de varios efectos debidos a la fuerte correlacion entre las particulas de un sistema de etornos frios con fuerte interaccion atrapados en redes opticas, descritos por el modelo de Hubbard. En concreto, se estudia: a) la terrnodlnernlca de una mezcla de fermiones que interaccionan atractivamente y estan en equilibrio terrnodtnamico, y b) el efecto de bloqueo en el transporte de particulas entre dos pozos cuenticos debido a las interacciones. La identificacion de efectos similares puede ser utilizada para distinguir entre distintas fases a temperatura finita o para contar y controlar la distribucion de los etornos en la red optica.
La tesis presenta un estudio teorico de varios efectos debidos a la fuerte correlacion entre las particulas de un sistema de etornos frios con fuerte interaccion atrapados en redes opticas, descritos por el modelo de Hubbard. En concreto, se estudia: a) la terrnodlnernlca de una mezcla de fermiones que interaccionan atractivamente y estan en equilibrio terrnodtnamico, y b) el efecto de bloqueo en el transporte de particulas entre dos pozos cuenticos debido a las interacciones. La identificacion de efectos similares puede ser utilizada para distinguir entre distintas fases a temperatura finita o para contar y controlar la distribucion de los etornos en la red optica.
En esta tesis doctoral se ha estudiado el comportamiento de sistemas de mezclas de atomos bosonicos y fermionicos en redes opticas de dimensionalidad mezclada.Por un lado se han estudiado las caracteristicas de las transiciones de fase de una mezcla de bosones y fermiones en una red optica que constrine los bosones a un dimension mientras que los fermiones pueden moverse en tres dimensiones. Observando, por un lado, que las transiciones son de primer orden en el caso estrictamente unidimensional. Exceptuando las del vacio a una fase pura de cualquiera de las dos especies. Mientras que en el caso en el que los fermiones pueden moverse en tres dimensiones se observa el cambio de tipo de transicion en el caso de la transicion de bosones puros a mezcla de bosones y fermiones.Por otro lado se ha estudiado la influencia de los fermiones en la transicion de fase cuantica de superfluido a aislante de Mott. Obteniendo el resultado de que para cierta configuracion de llenado de bosones en pared optica, los fermiones apantallan las interacciones entre los bosones, facilitando asi la fase superfluida. De todas formas, tambien se ha observado la gran importancia de la disipacion para otras condiciones de llenado, hecho que implica en estos casos que la fase de aislante de Mott sea mas favorable
La presente tesis se enmarca dentro de los campos de la Optica Cuantica y la Optica Atomica, mas especificamente en el area de atomos frios y su control y manipulacion mediante laseres. En estas ultimas decadas, estos campos han experimentado un enorme desarrollo, debido principalmente a las nuevas tecnicas que permiten el control y manipulacion de atomos. Estas tecnicas han abierto el campo de las interacciones luz - materia a estudios sobre nuevos efectos y nuevos estados de la materia como el condensado Bose-Einstein o el gas de Tonks-Girardeau.
Esta tesis esta dividida en tres partes. La primera parte estudia iones atrapados y su interaccion con laseres. Los iones quedan atrapados mediante diferentes combinaciones de campos electromagneticos, y pueden ser manipulados y controlados individualmente mediante laseres. En esta primera parte se presenta una generalizacion del concepto de sideband transitions o transiciones de banda lateral, valida para laseres de intensidad y desintonia arbitrarios. Tambien en esta primera parte de la Tesis se estudian los diferentes corrimientos de frecuencia observados en el espectro energetico de un ion atrapado iluminado con un laser.
La segunda parte esta dedicada a mostrar efectos interesantes que se producen en interferometria atomica debido al movimiento cuantico. El uso de atomos en interferometria en lugar de fotones presenta algunas ventajas. Los atomos interaccionan fuertemente con campos electromagneticos debido a su estructura interna, de forma que pueden ser manipulados y controlados de forma muy precisa. Ademas, el hecho de tener masa no nula, permite el estudio de fuerzas gravitacionales. Los efectos debidos al movimiento cuantico se estudian en un interferometro atomico de Mach-Zender, y tambien se estudia la interferometria Ramsey, mostrando que las franjas de interferencia se pueden hacer mas estrechas si los dos campos tienen frecuencias distintas y se controla su diferencia de fase.
Finalmente, la tercera parte trata algunos aspectos novedosos del Efecto Zeno Cuantico. Se comparan medidas pulsadas y continuas en un sistema optico-quantico simple, generalizando resultados anteriores.
En el ultimo capitulo de esta fase se exploran diferentes formas de controlar y manipular el decaimiento exponencial inducido por mediciones frecuentes en sistemas optico-quantico simples. Se examinan la influencia de diferentes factores como la influencia del estado inicial del atomo o el efecto de los terminos contr-rotantes cuando no se aplica la Aproximacion de Onda Rotante o Rotating Wave Approximation (RWA). En particular, a pesar de que los efectos Zeno y anti-Zeno cuanticos estan asociados a dependencias cuadraticas de la probabilidad de supervivencia, se encuentra un efecto anti-Zeno para dependencias lineales de la misma escogiendo adecuadamente el estado inicial y los parametros del laser.
Esta tesis es un trabajo teórico, en el que estudiamos la física de los átomos dipolares bosónicos ultrafríos en retículos ópticos. Éstos gases consisten de átomos o moléculas bosónicas, enfriados bajo la temperatura de degeneración cuántica, típicamente del orden de nK. En éstas condiciones, en una trampa armónica tridimensional (3D), los bosones que interaccionan débilmente condensan y forman un Condensado de Bose Einstein (BEC). Cuando se carga un BEC en un retículo óptico producido por ondas estacionarias de luz láser, se producen nuevos fenómenos físicos. Estos sistemas entonces realizan modelos de tipo Hubbard y pueden ser llevados a regimenes fuertemente correlacionados. En 1989, M. Fisher et. al. predecían que el modelo de Bose-Hubbard homogéneo (BH) presenta la transición de fase cuántica Superfluid-Mott insulator (SF-MI). En 2002, la transición entre éstas dos fases fue observada experimentalmente por primera vez en el grupo de T. Esslinger e I. Bloch. La realización experimental de un BEC dipolar de cromo en el grupo de T. Pfau, y los progresos recientes en las técnicas de enfriamiento y atrapamiento de moléculas dipolares en los grupos de D. Jin e J. Ye, han abierto el camino hacia los gases cuánticos ultra-fríos dominados por la interacción dipolar. La evolución natural, y el reto de hoy en día por parte experimental, es de cargar BEC dipolares en retículos ópticos y estudiar los gases dipolares fuertemente correlacionados. Antes de éste trabajo de doctorado, estudios sobre modelos de BH con interacciones extendidas a los primeros vecinos mostraron la evidencia de nuevas fases cuánticas, como el supersólido (SS) y la fase checkerboard (CB). Debido al carácter de largo alcance de la interacción dipolo-dipolo, que decae con la potencia cúbica inversa de la distancia, es necesario incluir más de un primer vecino para obtener una descripción fiel y cuantitativa de los sistemas dipolares. De hecho, al incluir más vecinos se permiten y se estabilizan aún más nuevas fases. En esta tesis estudiamos modelos de BH con interacciones dipolares, investigando más allá del estado fundamental. Estudiamos un retículo bidimensional (2D) donde los dipolos están polarizados en dirección perpendicular al plano 2D, dando lugar a una interacción dipolar repulsiva e isotrópica. Utilizamos aproximaciones de campo-medio y un ansatz Gutzwiller, que son suficientemente correctos y adecuados para describir este sistema. Encontramos que los gases dipolares en 2D presentan una multitud de estados metaestables de tipo MI, que compiten con el estado fundamental, de modo parecido a sistemas desordenados. Estudiamos en detalle el destino de estos estados metaestables: como pueden ser preparados de manera controlada, como pueden ser detectados, cual es su tiempo de vida debido al tunnelling, y cual es su rol en los procesos de enfriamiento. Además, encontramos que el estado fundamental está caracterizado por estados MI de tipo checkerboard con coeficiente de ocupación n fraccionario (numero medio de partículas por sitio) que depende del cut-off utilizado en el radio de alcance de la interacción. Confirmamos esta predicción estudiando el mismo sistema con métodos Quantum Monte Carlo (worm algorithm). En este caso no utilizamos ningún cut-off en el radio de alcance de la interacción, y encontramos pruebas de una "Devil's staircase" en el estado fundamental, i.e. donde las fases MI aparecen en todos los n racionales del retículo subyacente. Encontramos además, regiones de los parámetros donde el estado fundamental es supersólido, obtenido drogando los sólidos con partículas o con agujeros. En este trabajo, investigamos también como cambia la estructura precedente en 3D. Nos focalizamos en el retículo 3D más sencillo compuesto de dos planos 2D, en el cual los dipolos están polarizados perpendicularmente a los planos; la interacción dipolar es entonces repulsiva por partículas del mismo plano, mientras es atractiva por partículas en el mismo sitio de dos planos diferentes. En cambio suprimimos el tunnelling entre los planos, lo cual hace el sistema equivalente a una mezcla bosónica en un retículo 2D. Nuestros cálculos muestran que las partículas se juntan en parejas, y demostramos la existencia de la nueva fase cuántica Pair Super Solid (PSS). Actualmente estamos estudiando un retículo 2D donde los dipolos están libres de apuntar en ambas direcciones perpendicularmente al plano, lo cual resulta en una interacción a primeros vecinos repulsiva (atractiva) por dipolos alineados (anti-alineados). Encontramos regiones de parámetros donde el estado fundamental es ferromagnético u anti-ferromagnético, y encontramos pruebas de la existencia de la fase cuántica Counterflow Super Solid (CSS). Las nuestras predicciones tienen directas consecuencias experimentales, y esperamos que vengan pronto controladas en experimentos con gases dipolares atómicos y moleculares ultra-fríos. This thesis is a theoretical work, in which we study the physics of ultra-cold dipolar bosonic gases in optical lattices. Such gases consist of bosonic atoms or molecules, cooled below the quantum degeneracy temperature, typically in the nK range. In such conditions, in a three-dimensional (3D) harmonic trap, weakly interacting bosons condense and form a Bose-Einstein Condensate (BEC). When a BEC is loaded into an optical lattice produced by standing waves of laser light, new kinds of physical phenomena occur. These systems realize then Hubbard-type models and can be brought to a strongly correlated regime. In 1989, M. Fisher et. al. predicted that the homogeneous Bose-Hubbard model (BH) exhibits the Superfluid-Mott insulator (SF-MI) quantum phase transition. In 2002 the transition between these two phases were observed experimentally for the first time in the group of T. Esslinger and I. Bloch. The experimental realisation of a dipolar BEC of Chromium by the group of T. Pfau, and the recent progresses in trapping and cooling of dipolar molecules by the groups of D. Jin and J. Ye, have opened the path towards ultra-cold quantum gases with dominant dipole interactions. A natural evolution and present challenge, on the experimental side is then to load dipolar BECs into optical lattices and study strongly correlated ultracold dipolar lattice gases. Before this PhD work, studies of BH models with interactions extended to nearest neighbours had pointed out that novel quantum phases, like supersolid (SS) and checkerboard phases (CB) are expected. Due to the long-range character of the dipole-dipole interaction, which decays as the inverse cubic power of the distance, it is necessary to include more than one nearest neighbour to have a faithful quantitative description of dipolar systems. In fact, longer-range interactions tend to allow for and stabilize more novel phases. In this thesis we study BH models with dipolar interactions, going beyond the ground state search. We consider a two-dimensional (2D) lattice where the dipoles are polarized perpendicularly to the 2D plane, resulting in an isotropic repulsive interaction. We use the mean-field approximations and a Gutzwiller ansatz which are quite accurate and suitable to describe this system. We find that dipolar bosonic gas in 2D exhibits a multitude of insulating metastable states, often competing with the ground state, similarly as in a disordered system. We study in detail the fate of these metastable states: how can they be prepared on demand, how they can be detected, what is their lifetime due to tunnelling, and what is their role in various cooling schemes. Moreover, we find that the ground state is characterized by insulating checkerboard-like states with fractional filling factors v(average number of particles per site) that depend on the cut-off used for the interaction range. We confirm this prediction by studying the same system with Quantum Monte Carlo methods (the worm algorithm). In this case no cut-off is used, and we find evidence for a Devil's staircase in the ground state, i.e. where insulating phases appear at all rational of the underlying lattice. We also find regions of parameters where the ground state is a supersolid, obtained by doping the solids either with particles or vacancies. In this work, we also investigate how the previous scenario changes in 3D. We focus on the simplest 3D lattice composed of two 2D layers in which the dipoles are polarized perpendicularly to the planes; the dipolar interaction is then repulsive for particles laying on the same plane, while it is attractive for particles at the same lattice site on different layers. Instead we consider inter-layer tunnelling to be suppressed, which makes the system analogous to a bosonic mixture in a 2D lattice. Our calculations show that particles pair into composites, and demonstrate the existence of the novel Pair Super Solid (PSS) quantum phase. Currently we are studying a 2D lattice where the dipoles are free to point in both directions perpendicularly to the plane, which results in a nearest neighbour repulsive (attractive) interaction for aligned (antialigned) dipoles. We find regions of parameters where the ground state is ferromagnetic or antiferromagnetic, and find evidences for the existence of a Counterflow Super Solid (CSS) quantum phase. Our predictions have direct experimental consequences, and we hope that they will be soon checked in experiments with ultracold dipolar atomic and molecular gases.
En esta tesis se estudian los simuladores cuanticos analogicos, sistemas experimentales capaces de reproducir de forma eficiente complicados modelos de la fisica cuantica de muchos cuerpos. Dichos simuladores reproducen de forma exacta el Hamiltonia no del sistema a simular, heredando todas sus propiedades, y por tanto permitiendo explorar todas sus propiedades en un laboratorio. En particular nos centraremos en dos plataformas experimentales: iones atrapados, y atomos frios en redes opticas. Estos sistemas poseen propiedades distintivas y complementarias que hace que la simulacion de ciertos fenomenos sea mas apropiada en una u otra plataforma. Por ejemplo, mientras que las redes opticas simulan de forma natural fenomenos que involucran miles de particulas, los iones atrapa- dos son mas apropiados para la simulacion de la fisica de pocos cuerpos. De hecho, los iones atrapados pueden incluso alcanzar el limite de una sola particula. Esta tesis presenta propuestas teoricas para simular los siguientes fenomenos en trampas ionicas: ecuacion de Dirac, modelos de espines con interacciones a tres cuerpos, y localizacion de Anderson de fonones. Asi mismo, presentamos las siguientes propuestas para atomos frios en redes opticas...
Estudiamos los efectos de muchos cuerpos en las propiedades de transporte a traves de
sistemas nanoscopicos. Presentamos estudios en diversos modelos de sistemas correlacionados:
algunos de ellos presentan comportamiento caracteristico de liquido de Luttinger
o de liquido de Fermi. Para los sistemas tipo liquido de Luttinger, usamos un formalismo
de transporte tipo Landauer que mantiene las correlaciones en el sistema de forma exacta.
Por otro lado, para los sistemas tipo liquido de Fermi fuera de equilibrio, usamos la formula
mas general de transporte a traves de un sistema interactuante propuesta por Meir y
Wingreen.
En el caso de los sistemas cuyo punto fijo es el liquido de Luttinger, mostramos como
una medicion de transporte puede llevar a la evidencia directa de la separacion de cargaesp
in. Este fenomeno es una propiedad fundamental que define el liquido de Luttinger. La
separacion de carga-espin se manifiesta en la conductancia como funcion del
flujo magnetico
formando minimos (dips) en valores fraccionales no triviales, cambiando la periodicidad
fundamental de conductancia como funcion del
flujo. Mostramos que estos resultados son
validos para cualquier sistema fuertemente interactuante en una dimension. Los sistemas
prototipo usados para este estudio son anillos de Aharonov-Bohm (representados por el
modelo de Hubbard o t-J ) acoplados debilmente a un par de electrodos conductores.
Aumentando la dimensionalidad del problema, en sistemas de dos anillos acoplados, no
esta claro a hacia que tipo de punto fijo
fluye este tipo de sistemas. Sin embargo, usando
el mismo criterio para la separacion de carga-espin que en el caso de cadenas simples,
encontramos una clara evidencia de separacion de carga-espin en un amplio regimen de
los parametros de interaccion inter e intracadenas.
Usando el mismo tipo de geometrias tipo Aharonov-Bohm, mostramos como pueden
ser utilizadas en la caracterizacion de la transicion de fase neutral-ionica que presenta
el modelo de Hubbard ionico. La transicion puede ser observada mirando el primer pico
de la transmitancia controlando el
flujo magnetico aplicado al anillo. En terminos de la
transmitancia, dependiendo de la fase del estado fundamental, encontramos la presencia
o ausencia de depresiones como funcion del
flujo. De esta forma es posible caracterizar la
transicion de manera inequivoca. Es importante resaltar que la disposicion experimental
propuesta puede ser implementada para cualquier transicion de fase cuantica asociada a
un cambio de simetria en el estado fundamental.
Usando el formalismo de transporte tipo Landauer, estudiamos el transporte cuantico
a traves de una sola molecula (en general, moleculas monociclicas aromaticas) que explota
los efectos de interferencia cuantica intrinsecos. Mostramos que los efectos de interferencia
destructiva total relacionados con un algun grupo de simetria de la molecula, permiten
controlar las propiedades tipo transistor del sistema como la conmutacion de la corriente.
Los estados de corriente nula o finita son manipulados por medio de perturbaciones elasticas
o decoherentes que rompen la simetria molecular. Estos efectos podran ser observados
en los dispositivos moleculares construidos actualmente.
Adicionalmente, investigamos las propiedades de transporte a traves de una impureza
de Anderson simetrica, cuya fisica es la del liquido de Fermi. Para este modelo usamos
teoria de perturbaciones renormalizadas fuera de equilibrio para estudiar las propiedades
de transporte a traves de puntos cuanticos a temperatura y voltaje finitos. Calculamos los
parametros de escaleo asociados a la funcion universal que satisfacen las mediciones de
transporte realizadas recientemente a traves de un punto cuantico tipo Kondo de un solo
canal. Usando un exponente de escaleo cuadratico tanto para la temperatura como para
el voltaje (como se espera para la impureza de Anderson de espin S = 1/2), encontramos
un gran acuerdo para los coeficientes comparados con los resultados experimentales.
Finalmente, desarrollamos un eficiente codigo en paralelo de DMRG dedicado al calculo
de las funciones de correlacion multi-punto. La estrategia presentada se implemento en el
lenguaje de memoria distribuida, MPI. Este algoritmo posee una mejor aceleracion comparado
con el caso de memoria compartida. La aceleracion maxima encontrada para el
algoritmo respecto al caso serial, se encontro en el rango 11 - 18 dependiendo del tamano
del problema y de acuerdo a la ley de Amdahl. Se exploraron las causas de desaceleracion
paralela y con base en esta discusion proponemos formas de aumentar la aceleracion del
algoritmo paralelo. Aplicamos las estrategias de paralelizacion en el calculo de las correlaciones
de carga de la Fase Mott del modelo de Hubbard ionico encontrando un gran
acuerdo con la ley de potencias predicha con bosonizacion.
Se estudia analíticamente una clase de sistemas cuánticos dispositivos en un espacio de \nHilbert de dimensión infinita: Los modelos consisten en una o dos partículas inmersas \nen una red 1D en contacto con un baño térmico (fonones). Se describe la transición \nque experimenta una partícula desde un régimen cuántico a uno clásico a medida que \naumenta la temperatura del reservativo para una condición inicial localizada. Por otra \nparte, se analizan las diferencias que aparecen entre el problema de uno y de dos \ncuerpos en la red. Se verica que la interaccion utilizada para modelar el intercambio \ndel sistema con el baño induce correlaciones entre las dos particulas, originalmente \nlibres, y se investiga la naturaleza de estas correlaciones (cuánticas o clásicas). \nEl énfasis esta puesto en la descripción del problema desde el espacio de fases, a \npartir de la definición de una pseudoprobabilidad de Wigner discreta. Para una partícula \nen la red se analizan diversas preparaciones iniciales y medidas de decoherencia en \nfunción de la temperatura y el tiempo, y se encuentran situaciones en las que nunca \nse alcanza un regimen clasico. Para dos partículas se generalizan resultados previos \ninvestigando los efectos de la estadística en la formación de correlaciones cuando las \nmismas son indistinguibles. \nA lo largo del texto se derivan asimismo una serie de resultados auxiliares pero \nde riguroso interés para los fines de nuestro trabajo. Entre otras cosas, se obtiene el \nlimite al continuo de ambos modelos, se calculan las ecuaciones de evolución para las \nfunciones de Wigner derivadas, y se consideran los efectos en el semigrupo de una \ninteraccion con un reservorio fermionico. \n