Nesta monografia, com base numa proposta experimentalmente factivel, derivamos um modelo de tres modos para descrever o comportamento de um sistema de condensados de Bose-Einstein dipolares confinados numa armadilha otica com estrutura de tres pocos de potencial nao alinhados. O modelo inclui interacoes de curto e longo alcance, tunelamento entre os pocos de potencial adjacentes e uma anisotropia associada a interacao dipolo-dipolo entre particulas de diferentes pocos. Atraves de calculos analiticos e numericos, investigaremos as dinâmicas classica e quântica dos valores esperados das populacoes de cada um dos pocos, caracterizando o regime de interacao relevante para nosso estudo. Usando ferramentas da teoria de perturbacao, deduziremos um hamiltoniano efetivo e atraves de uma abordagem semiclassica obteremos resultados analiticos do comportamento do sistema. Por fim, mostraremos que o modelo de tres pocos simula um dispositivo do tipo transistor.
Nesta monografia, com base numa proposta experimentalmente factivel, derivamos um modelo de tres modos para descrever o comportamento de um sistema de condensados de Bose-Einstein dipolares confinados numa armadilha otica com estrutura de tres pocos de potencial nao alinhados. O modelo inclui interacoes de curto e longo alcance, tunelamento entre os pocos de potencial adjacentes e uma anisotropia associada a interacao dipolo-dipolo entre particulas de diferentes pocos. Atraves de calculos analiticos e numericos, investigaremos as dinâmicas classica e quântica dos valores esperados das populacoes de cada um dos pocos, caracterizando o regime de interacao relevante para nosso estudo. Usando ferramentas da teoria de perturbacao, deduziremos um hamiltoniano efetivo e atraves de uma abordagem semiclassica obteremos resultados analiticos do comportamento do sistema. Por fim, mostraremos que o modelo de tres pocos simula um dispositivo do tipo transistor.
Examinamos varios aspectos do modelo de um condensado de Bose-Einstein aprisionado em um potencial de tres pocos simetricamente dispostos, incluindo os efeitos geralmente negligenciados de interacao entre particulas em modos locais distintos, que conhecemos como colisoes cruzadas. Por intermedio de uma extensao do formalismo de pseudo-spins de Schwinger, aproveitamos a estrutura algebrica natural do sistema, de forma a construir o analogo classico do modelo utilizando os estados coerentes proprios das representacoes totalmente simetricas do grupo SU(3). Empregando esta aproximacao semiclassica, estudamos os diferentes regimes dinâmicos populacionais presentes no sistema, que podem ser divididos em tres grandes conjuntos, os quais denominamos como dinâmicas de condensados gemeos, poco vazio e vortice. Estes regimes estao relacionados ao comportamento dos pontos de equilibrio do modelo, que apresentam bifurcacoes e alteracoes de estabilidade, ferramentas essenciais a compreensao dos fenomenos nao lineares de tunelamento do condensado. A dinâmica de condensados gemeos representa um subregime integravel do sistema, onde observamos a supressao do tunelamento bosonico, conhecida como auto-aprisionamento macroscopico. Os estados de vortice sao responsaveis por configuracoes de rotacao do condensado na armadilha, ao passo que os estados de poco vazio exibem desocupacao persistente em um dos modos locais. Todos os resultados analogos classicos sao comparados a calculos quânticos exatos, no intuito de observar as origens da quebra de correspondencia classico-quântica, que quantificamos com uma medida de emaranhamento multipartite, conhecida como pureza generalizada. Tambem consideramos a transicao de fase quântica presente no modelo para interacoes bosonicas atrativas, a qual associamos a uma mudanca da dinâmica populacional do sistema, observada como uma fragmentacao das representacoes do estado fundamental sobre o espaco de fase
Abstract
Consideramos o estado fundamental e as excitações colectivas de um condensado de Bose-Einstein dipolar numa armadilha tipo bolha, isto é, um potencial de confinamento esfericamente simetrico em forma de casca.Por meio de um ansatz gaussiano para a parte radial da função de onda e uma expansão em harmônicos esféricos para a parte angular, fomos capazes de obter expressões analíticas para a energia total do sistema, que foram minimizadas em relação aos parâmetros variacionais.Determinamos as propriedades do estado fundamental no caso em que as partículas interagem por interação de contato isotrópica de curto alcance e também por interações dipolares anisotrópicas de longo alcance no limite de casca fina, demonstrando a existência de perfis de densidade anisotrópicos em regimes fortemente dipolares.Ademais, com o estado fundamental em mãos, empregamos a abordagem de Sum Rules para estudar os modos de monopolo, quadrupolo bidimensional, tridimensional e dipolo.Encontramos desvios significativos em relação aos casos não dipolares, identificando assim traços úteis para a detecção experimental das propriedades de excitação do sistema e da interação de dipolo-dipolo
Resumo Desde a realização experimental dos condensados de Bose-Einstein de gases atômicos no ano de 1995, muitos foram os estudos para determinar as propriedades desse estado coerente. Entre eles podemos citar os modos coletivos desse sistema, o qual consiste em uma assinatura importante do seu caráter superfluido. Nesse projeto, estudamos os modos coletivos de um condensado confinado em um potencial harmônico. Estabelecemos um protocolo para perturbação, a qual consistiu de um onda estacionária ou propagante, com valores de amplitude, frequência e número de ondas devidamente selecionados. Nossos resultados demonstram um caráter bastante peculiar da perturbação tipo propagante, que induz não só a excitação dos modos de deformação monopolar e quadrupolar, como também do modo dipolar do centro de massa da nuvem condensada. A evolução temporal dos modos foi calculada através da minimização da Lagrangiana do sistema perturbado. O ansatz para função de onda do condensado foi escolhido com base no regime de Thomas-Fermi, com os graus de liberdades necessários para fornecer a dinâmica dos modos. Extraímos o espectro de Fourier da solução das equações variacionais para os raios da nuvem a fim de individualizar a contribuição de cada modo coletivo, cujas frequências exatas foram obtidas com a linearização das equações dinâmicas em torno da solução do equilíbrio. Determinamos a resposta dos modos de monopolo e quadrupolo frente a presença do modo dipolar, e também com a variação da amplitude da perturbação, para diferentes geometrias da armadilha de confinamento. Nossa proposta de excitação nos mostrou um cenário bastante promissor no intuito de melhorar a precisão na detecção desses modos de mais baixa energia do sistema condensado, assim como a possibilidade de excitar seletivamente apenas um dos modos, dada a dependência do acoplamento entre eles com a geometria da armadilha de confinamento.
Nesta tese estudamos conceitos básicos de um condensado de Bose-Einstein (BEC) e sua extensão para sistemas com propriedades mais exóticas, incluindo misturas de dois componentes, com algumas características interessantes encontradas devido à interação entre espécies, e condensados de átomos com forte momento (magnético) dipolar, nos quais a interação dipolo-dipolo (anisotrópica e de longo-alcance), abre novas possibilidades de pesquisa na procura por desconhecidas e fascinantes características para gases atômicos ultra-frios. Mostramos o modelo de campo-médio para misturas de dois BECs interagindo através do potencial de contato e da interação dipolar de longo-alcance empregando termos não lineares de inter e intra-espécies. Aplicamos este modelo em sistemas binários com diferentes armadilhas em que um deles ou ambos podem ser dipolares. Especificamente, estudamos as características físicas de uma mistura de dois BECs - com e sem interação dipolar -, a formação (e dinâmica) de bright solitons para um BEC dipolar, algumas propriedades interessantes para um BEC dipolar no limite de interação forte, e as características de um BEC dipolar quase-livre vinculado à um outro BEC não dipolar confinado numa armadilha magnética. Apresentamos nossos resultados numéricos usando gráficos de densidade, diagramas de fase, de formação de estruturas nas densidades ou a dinâmica dos sistemas, entre outros. Sempre que possível, nossos resultados serão associados com quantidades usadas em técnicas experimentais através de um tipo específico de átomo, o número de partículas, os valores dos parâmetros de interação, a anisotropia da armadilha ou outras quantidades relacionadas com observáveis experimentais
O objetivo desse trabalho é apresentar e investigar um modelo integrável que descreve o tunelamento de bósons entre três condensados de Bose-Einstein acoplados em linha. Aqui, entendemos como modelo integrável, aquele que tem solução exata pelo método algébrico do Ansatz de Bethe. Inicialmente, verificamos a integrabilidade do modelo através desse método, o que exigiu uma abordagem mais sofisticada do que a usual, para obtenção de todas as quantidades conservadas. Posteriormente, exploramos a quebra da integrabilidade adicionando um termo ao Hamiltoniano. Esta quebra é analisada através dos níveis de energia e da distribuição estatística dos espaçamentos entre energias, cujo histograma gerou uma distribuição do tipo Wigner-Dyson. Estudamos algumas possíveis dinâmicas quânticas do sistema e apresentamos uma configuração esquemática que lembra um transistor.
Condensados dipolares aprisionados em bolhas são sistemas promissores para emergência de fenômenos físicos novos. A competição entre interações completamente distintas, frente a restrições geométricas do confinamento, é potencializada quando flutuações quânticas se tornam relevantes. Uma das possíveis consequências desse regime é o aparecimento das fases de droplets autoaprisionados e supersólidos. Métodos numéricos são mais precisos para estudá-las teoricamente. Entretanto, demandam intervalos longos de tempo, o que limita o número de partículas analisado e o teste da sensibilidade dos resultados à variação de parâmetros do sistema. Por este motivo, a partir de um ansatz, propomos um modelo semianalítico para gerar diagramas de fases para Disprósio-164 polarizado em uma casca esférica fina. Até 3 × 104 átomos, mapeamos a ocorrência de condensado e droplets gaussianos, com resultados similares à referência numérica. Por fim, estendemos o número de partículas e variamos raio e espessura de nossa bolha. Para grandes populações, vemos a manutenção dos padrões de variação da quantidade de droplets. Ao aumentar o tamanho da casca, identificamos duas tendências: droplets surgem em faixas menos dipolares e tendem a diminuir em quantidade. Notamos também, pelo derretimento de droplets em condensado, que há configurações específicas as quais o efeito das flutuações parece se tornar mais relevante. Avaliamos que nosso método pode ser aplicado para investigar minuciosamente esse efeito e para verificar a supersolidez em uma estreita região do espaço de parâmetros.