We examine a phase transition in a model of random spatial permutations which originates in a study of the interacting Bose gas. Permutations are weighted according to point positions; the low-temperature onset of the appearance of arbitrarily long cycles is connected to the phase transition of Bose-Einstein condensates. In our simplified model, point positions are held fixed on the fully occupied cubic lattice and interactions are expressed as Ewens-type weights on cycle lengths of permutations. The critical temperature of the transition to long cycles depends on an interaction-strength parameter α. For weak interactions, the shift in critical temperature is expected to be linear in α with constant of linearity c. Using Markov chain Monte Carlo methods and finite-size scaling, we find c = 0.618 ± 0.086. This finding matches a similar analytical result of Ueltschi and Betz. We also examine the mean longest cycle length as a fraction of the number of sites in long cycles, recovering an earlier result of Shepp and Lloyd for non-spatial permutations. The plan of this paper is as follows. We begin with a non-technical discussion of the historical context of the project, along with a mention of alternative approaches. Relevant previous works are cited, thus annotating the bibliography. The random-cycle approach to the BEC problem requires a model of spatial permutations. This model it is of its own probabilistic interest; it is developed mathematically, without reference to the Bose gas. Our Markov-chain Monte Carlo algorithms for sampling from the random-cycle distribution - the swap-only, swap-and-reverse, band-update, and worm algorithms - are presented, compared, and contrasted. Finite-size scaling techniques are used to obtain information about infinite-volume quantities from finite-volume computational data.

Les polaritons de microcavité sont des états hybrides lumière-matière à caractère bosonique.Dans les dernières décennies, un grand intérêt a été accordé à leur phase de condensation de Bose-Einstein.Nous avons développé dans ce travail des outils théoriques et numériques pour comprendre et interpréter la dynamique spatiale et temporelle de la formation des condensats de polaritons.Nous avons proposé une approche numérique pour la résolution complète des équations couplées du modèle Gross-Pitaevskii généralisé à deux dimensions en coordonnées cartésiennes.Nous avons cherché à comprendre les aspects du seuil de condensation sous différentes configurations spatiales et temporelles d'excitation optique non résonante.Nous avons en particulier proposé une nouvelle approche pour définir le seuil.Enfin, pour une condensation sous exciation focalisée, dans une microcavité ZnO, nous avons pu accéder à, et comprendre, quelques propriétés vues dans les expériences. / Microcavity polaritons are hybrid light-material states of a bosonic nature.In the last decades, an enormous interest has been paid to their Bose-Einstein condensation phase.We develop, in this work the theoretical and numerical tools to understand and interpret the spatial and temporal dynamics of the formation of condensates of polaritons.We propose a numerical approach for the comprehensive resolution of the generalized Gross-Pitaevskii model in two-dimensions in Cartesian coordinates.We sought to understand the aspects of the condensation threshold under different spatial and temporal configurations of non-resonant optical excitation.In particular, we propose a new approach to define the threshold.Finally, for a condensation under a focal exciation in a ZnO microcavity, we were able to access, and understand, some of the experimentally observed properties.

Resumo: Investigamos as soluções estacionárias e dinâmicas da equação de Gross-Pitaevskii generalizada para sistemas atômicos com um potencial confinante e termos não conservativos associados à dissipação e à alimentação atômica, visando a descrição de condensados de Bose-Einstein. Consideramos os casos de comprimentos de espalhamento negativos (interações atrativas) e positivos (interações repulsivas) entre dois átomos. Verificamos como a variação dos parâmetros associados aos termos não conservativos pode produzir situações de instabilidade resultando no fenômeno conhecido como caos espaço temporal. Por outro lado, verificamos também quais combinações de parâmetros leva a soluções de equilíbrio, tipo solitônica. Nessa pesquisa, utilizando esse modelo de campo médio com uma parametrização conhecida, estudamos as propriedades de tais sistemas para alguns valores dos parâmetros não-conservativos, por meio de métodos numéricos e variacionais. / Abstract: We investigate the stationary and dynamical solutions of the Gross-Pitaevskii equation extended for atomic systems with confining potential in the presence of nonconservative terms associated to atomic dissipation and feeding, in order to describe Bose-Einstein Condensates. We considered the cases of negative (attractive interaction) and positive (repulsive interaction) two-body lenght. We verified how the variation of the parameters associated to those nonconservative terms could produce instabilities resulting in occurrence of spacetemporal chaos. In other hand, we looked for parameters combinations that give us stable solitonic-like solutions. In this research, by using the mean-field approach with a particular parameterization, we studied the properties of these systems for some values of the nonconservative parameters, by means of numerical and variational methods. / Orientador: Lauro Tomio / Coorientador: Victo dos Santos Filho / Banca: Gerson Francisco / Banca: Arnaldo Gammal / Mestre

Condensados de Bose-Einstein (BEC) são sistemas macroscópicos excelentes para a observação do comportamento quântico da matéria. Desde sua obtenção experimental em gases atômicos alcalinos diluídos aprisionados por campos magnéticos, há importantes aspectos relacionados a esse sistema que foram intensamente explorados, como os modos coletivos do BEC harmonicamente aprisionado, seu tunelamento através de barreiras de potencial e os estados excitados desse sistema, incluindo vórtice e sóliton. O último consiste de pacote de onda localizado, que propaga sem mudança de forma. Nesse trabalho, investigamos os novos aspectos que surgem da dinâmica de um sistema composto (condensado aprisionado contendo um sóliton). Há muitos estudos tratando cada parte separadamente: estado fundamental do BEC ou um sóliton em um BEC infinito uniforme estacionário. Estamos nos baseando nessas análises prévias, além da simulação numérica de campo médio do nosso sistema submetido a diferentes condições iniciais (BEC aprisionado no mínimo do potencial harmônico ou BEC deslocado na armadilha contendo um sóliton, além de uma deformação no potencial) para caracterizar a dinâmica desse sistema. Alguns dos nossos resultados puderam ser explicados por meio de predições analítica da chamada aproximação de Thomas-Fermi. Ao final, comparamos as simulações de campo médio (equação de Gross-Pitaevskii) com as advindas da teoria de múltiplos orbitais a fim de justificar o regime de validade da nossa teoria. / Bose-Einstein Condensates (BEC) are excellent macroscopic systems to observe the quantum behavior of matter. Since it experimental production in dilute atomic alkali gases trapped by magnetic fields, there are important aspects related to this system that have been intensely explored, like the collective modes of the harmonically trapped BEC, its tunneling through a potential barrier and the excited states of this system, that include the vortex and soliton. The latter consist of localized disturbances, which propagate without change of form. In this work, we investigate the singular aspects that coming from the dynamics of a composite system (trapped BEC containing a soliton). There are many studies that treat each part separately, that include a fundamental state BEC or a soliton inside a uniform infinite extent stationary BEC. We are basing on these previous analyses, besides mean-field numeric simulating our particular system submitted to diferent initial conditions (minimum harmonic potential trapped BEC or dislocated trapped BEC plus a soliton, in addition to a deformation in the potential) to characterize the tunneling dynamics. Some of our results could be explained using analytical predictions of the so called Thomas-Fermi approximation. At the end, we compar the meanfield simulations (Gross-Pitavskii equation) with the simulations from the multiple orbitals theory to justify the validity regime of our theory.

A turbulência clássica é um fenômeno de natureza caótica, mas de difícil estudo por ser constituída pela fusão e superposição de vórtices aleatórios, dificultando sua descrição matemática. A turbulência quântica (TQ), embora também caótica, é composta por vórtices quantizados, que favorecem o controle experimental e sua definição teórica. Embora a evidência experimental da TQ tenha sido obtida em sistemas de He líquido, sua caracterização em condensados de Bose-Einstein (BEC) ainda não foi totalmente realizada. Neste trabalho, estudamos a distribuição de momento em BECs expandidos em tempo de voo, nos regimes convencional e turbulento. Para a produção experimental da amostra quanticamente degenerada, utilizamos a técnica do resfriamento evaporativo em átomos de 87Rb, previamente resfriados em uma armadilha puramente magnética do tipo QUIC. A turbulência quântica foi produzida no sistema através de um par de bobinas de excitação capaz de produzir uma perturbação oscilatória na nuvem previamente condensada. O diagnóstico da amostra aprisionada é feito por imagem de absorção durante expansão livre da nuvem. Durante a expansão, tanto a nuvem condensada quanto a turbulenta, alcançaram um valor assintótico no aspect ratio, indicando uma evolução isotrópica. A partir deste resultado, elaboramos um método teórico capaz de determinar a projeção isotrópica da distribuição de momento, baseado na imagem produzida experimentalmente. Através de argumentos de simetria e de uma transformada integral, recuperamos a densidade de momento tridimensional da projeção, para então determinar o espectro de energia cinética da nuvem, observando uma lei de escala para um estreito intervalo de momento. A lei de escala já foi prevista teoricamente para sistemas quânticos e medida para o He superfluido, mas pela primeira vez foi evidenciada em um BEC. Desta forma, os resultados corroboram a existência da turbulência quântica em uma amostra quanticamente degenerada, introduzindo os BECs como candidatos alternativos ao He líquido superfluido no estudo deste fenômeno. / Classical turbulence is a chaotic phenomenon that requires labored work, because of its merging and overlapping of random vortices nature, which hinders its mathematical description. Quantum turbulence (QT), although chaotic, is comprised of quantized vortices that favor the experimental control and its theoretical definition. Although experimental evidence of QT has been proved in liquid helium systems, its characterization in Bose-Einstein condensates (BEC) has not been fully accomplished. In this work, we studied the momentum distribution of expanding turbulent and non-turbulent BEC. For experimental achievement of the quantum degenerated sample, we used evaporative cooling in rubidium atoms, previously cooled in a QUIC trap. Quantum turbulence was produced through a pair of excitation coils capable of producing an oscillatory perturbation in the cloud previously condensed. The diagnosis of the trapped sample is done by absorption image during free expansion of the cloud. During the expansion, both clouds achieved a asymptotic value of the aspect ratio, indicating an isotropic evolution. From this result, we have developed a theoretical method able to determine the projection of the isotropic distribution of momentum, based on the image produced experimentally. Through symmetry arguments and an integral transformation, we recovered the tridimensional momentum distribution of the projection and then determined the kinetic energy spectrum of the cloud, observing a scaling power law for a narrow range of momenta. The scaling law has been theoretically predicted for quantum systems and has been proved to liquid helium superfluid, but, in this work, was for the first time evidenced in a BEC. Thus, the results support the existence of quantum turbulence in our quantum degenerated sample, introducing the BECs as potential candidates besides liquid helium superfluid for the study of this phenomenon.

Neste trabalho é estudado o comportamento termodinâmico de um gás unidimensional de bosons sob a ação de uma impureza delta atrativa. O sistema apresenta o fenômeno da condensação de Bose- Einstein e a causa da transição é atribuida ao estado ligado introduzido pela impureza no espectro de partícula livre. A fase condensada é composta pelas partículas capturadas pela impureza, formando uma gota de partículas bem localizadas no espaço. Isto dá à condensação de Bose-Einstein apresentada pelo sistema a aparência da conhecida transição líquido-vapor. A ordem de transição é analisada pela equação de Clausius-Clayperon e interpretada como de primeira ordem. Deste modo, a semelhança entre a condensação de Bose-Einstein neste sistema ma e a transição líquido-vapor é reforçada.O cálculo do calor específico a comprimento constante, mostra a existência de uma descontinuidade finita na temperatura de transição. / The thermodynamic behavior of the one-dimensional Bose gas-attractive delta impurity system is studied in this work. The system is shown to undergo the Bose-Einstein condensation and the cause of the phase transition is attributed to the bound state introduced by the impurity in the free particle energy spectrum. The condensed phase is composed by particles captured by the impurity, forming a drop of particles well localized in space. This gives to the Bose-Einstein condensation in this system the appearance of the ordinary vapor-liquid phase transition. The order of the phase transition is analized with the aid of the Clausius-Clayperon equation wich allowed us to conclude that the transition is a first order one. This reinforce the interpretation of a vapor-liquid transition.The evaluation of the heat capacity at constant length shows the existence of a finite discontinuity at the transition temperature.

A pressão e o volume não podem ser definidos corretamente em um sistema nãohomogêneo. Neste trabalho, definimos variáveis macroscópicas globais para um gás confinado em uma armadilha harmônica, os quais são análogos à pressão e o volume. Um sistema ultra-frio tem variáveis termodinâmicas naturais como o número de átomos e a temperatura. Introduzimos um novo conjunto de variáveis globais conjugadas para caracterizar o sistema macroscopicamente. Construímos diferentes diagramas de fase para um gás de Bose de 87Rb aprisionado em uma armadilha harmônica em termos dessas novas variáveis globais obtidas a partir das frequências da armadilha e a distribuição da densidade dos átomos. Nós construímos estes diagramas de fase, identificando os principais aspectos relacionados à transição da condensação de Bose-Einstein em um gás aprisionado. Este procedimento pode ser usado para explorar aspectos relacionados com a condensação de Bose-Einstein, tais como a compressão isotérmica relacionados com a transição de fase. Por outro lado, estas novas quantidades termodinâmicas nos permitem estudar a natureza dos fenômenos quânticos como a pressão do ponto zero relacionada ao princípio da incerteza. / The pressure and volume can not be defined correctly on a non-homogeneous system. In this work we define macroscopic variables for a gas confined in an harmonic trap, which are analogous to pressure and volume. An ultra-cold system has natural thermodynamic variables as number of atoms and temperature. We introduce a new set of global conjugate variables to characterize the system macroscopically. We measure different phase diagrams of a 87Rb Bose gas in a harmonic trap in terms of these new global variables obtained from frequencies of trap and the density distribution of atoms. We construct these phase diagrams identifying the main features related to the Bose- Einstein condensation transition in a trapped gas. This procedure can be used to explore different aspects related to Bose-Einstein condensation, such as the isothermal compressibility related with the phase transition characteristics. On the other hand, these new thermodynamic quantities allow us to study the nature of quantum phenomena as the zero-point pressure related to the uncertainty principle.

In this thesis we present some studies that were done in a trapped 87Rb Bose-Einstein condensate using the thermodynamic global variables. We have measured the global sound velocity by studying the variation of the total number of trapped atoms as a function of temperature. This method allowed us to determine the contribution of thermal and BEC components at each temperature. In order to study the sound velocity in each component, we treated both fluids as they were completely independent and we found great similarity with a published work. In addition, we analyze theoretically the validity of the global variables by comparing this approach with other methods. The specific heat for an ideal gas was evaluated using the global variables and by using the usual statistical approach found in textbooks. After finding the same result for both methods, we used the simplicity to implement the interaction in the global approach, to study the variation in the specific heat when the interactions are taken into account. The last comparison was done between global variables and the local density approximation. We have obtained that, for the isothermal compressibility and a equation of state, both methods provide equivalent results. / Nesta tese descrevemos estudos que foram feitos em um Condensado de Bose-Einstein de 87Rb usando variáveis termodinâmicas globais. A velocidade do som foi medida através de variações do número de átomos aprisionados em função da temperatura. Com este método fomos capazes de determinar qual a contribuição da componente térmica e do condensado em cada temperatura. Com o objetivo de estudar a velocidade do som em cada componente, analisamos ambas componentes como se elas fossem totalmente independentes, e encontramos grande similaridade com outro trabalho publicado. Adicionalmente, um estudo teórico foi feito para analisar a validade das variáveis globais comparando com outros métodos. O calor específico para um gás ideal foi calculado usando as variáveis globais e também usando o tratamento estatístico convencional encontrado em livros-texto. Depois de encontrar os mesmos resultados com os dois métodos, usamos a facilidade que temos em considerar as interações entre os átomos usando as variáveis globais, e estudamos a variação no calor específico quando estas interações são consideradas. Em um último estudo, comparamos as variáveis globais com o método de aproximação da densidade local. Para a compressibilidade isotérmica e para uma equação de estado obtemos resultados equivalentes com os dois métodos.

Neste projeto de doutorado estudamos dois aspectos em condensados de Bose-Einstein de gases alcalinos diluídos: (i) a expansão auto-similar de um superfluido turbulento, e (ii) a física dos pólarons no contexto de misturas de superfluidos e redes de vórtices. Ambas as análises estão relacionadas com nossas tendências experimentais em átomos frios. Na primeira etapa generalizamos as equações hidrodinâmicas dos superfluidos para descrever a expansão anômala de uma nuvem condensada turbulenta. A física por detrás dessa assinatura característica da natureza turbulenta da nuvem pôde ser compreendida através das equações derivadas em nosso modelo, que considerou a energia cinética advinda de uma configuração de vórtices enovelados. Na segunda parte do trabalho abordamos a física do pólaron, analisando as propriedades de uma impureza neutra acoplada com os modos Tkachenkos de um condensado de Bose-Einstein contendo uma rede de vórtices. Através da função espectral da impureza, pudemos acompanhar a evolução das propriedades de quase-partícula em função da magnitude do parâmetro de interação, à medida que caminhávamos em direção ao regime de baixas energias do sistema. A função espectral apresentou inicialmente um alargamento do seu perfil Lorentziano para baixos valores dos momentos da impureza e das excitações, mesmo a temperatura zero. Ao atingir a proximidade de um ponto fixo de baixas energias, porém, o espectro passa a adquirir um perfil de decaimento com lei de potência. Trata-se de uma assinatura do fenômeno da catástrofe de ortogonalidade, com a quebra da natureza de quase-particula do sistema. Aplicamos uma transformação canônica com operadores unitários e técnicas de grupo de renormalização para avaliar o fluxo das constantes da teoria à medida que diminuíamos as escalas de energia características do nosso sistema. Na etapa final apresentamos alguns resultados preliminares sobre o sistema de duas espécies de condensado sobrepostas, uma delas contendo a rede de vórtices. Por meio de uma analogia com superfluidos em redes ópticas, mapeamos nosso Hamiltoniano em um modelo Bose-Hubbard e variamos o comprimento de espalhamento atômico das espécies envolvidas para induzir a transição de fase quântica naquela aprisionada na rede. Mostramos que essa nossa nova configuração quântica de rede permite investigações que vão além daquelas estudadas com redes ópticas estáticas. / In this thesis we studied two aspects of Bose-Einstein condensation in dilute gases: (i) the self-similar expansion of a turbulent superfluidity, and (ii) the polaron physics in the context of the superfluid mixtures and vortex lattices. Both analyses are closely related to our experimental trends. Concerning the first subject, we generalized the superfluid hydrodynamic equations to describe the anomalous expansion of a turbulent condensate cloud. The physics behind this characteristic signature of the turbulence could be clarified through the expressions derived in our model, that considered the kinetic energy associated with a tangled vortex configuration. As for the second item, we present the polaron physics of a neutral impurity coupled with the Tkachenko modes of a vortex lattice Bose-Einstein condensate. Through the impurity spectral function, we tracked how the quasiparticle properties varied as a function of the interaction strength toward the lower energy regimes. The spectral function exhibits a Lorentzian broadening for small wave vectors, even at zero temperature, until it starts to reach the low energy fixed point, where it acquires a power law decay. That is the signature of orthogonality catastrophe phenomena, with the breakdown of the quasiparticle picture. We applied canonical unitary transform and renormalization group equations to evaluate the flow of the theory parameters as we go further down in the characteristic energy scales. Finally, we provide preliminary results on the calculation of a system composed of two condensate species, one immersed in a second containing an array of vortices. Making an analogy with superfluids in an optical lattice, we map our Hamiltonian onto a Bose-Hubbard type model and tune the atomic scattering length of the two species to induce a quantum phase transition in the confined cloud. This is a new quantum system which allows investigation beyond the present studies with static optical lattices.

From almost one century, Bose-Einstein condensation has become progressively more important especially due to its connection with superfluidity, superconductivity and manybody physics. Nowadays quantum gases are powerful experimental tools to discover new physics and to emulate systems in condensed matter due to their versatility and very high control. Despite the increasing use of quantum gases as platforms for studying many problems in physics, their comprehension is very limited if we consider systems that are out-of-equilibrium due to the lack of experimental controllability of all the parameters involved in these systems. Another limitation in the understanding of this kind of systems comes from the limitation of the theoretical frameworks used to understand non-equilibrium dynamics, although many efforts have been made in this direction. Hence, many interesting phenomena in non-equilibrium quantum systems have not yet been discovered or well understood from a theoretical and experimental point of view, and thus its physics have not been the focus of much attention, although this situation has recently changed due to the rapid development of experimental techniques which enables a better control of parameters of these systems. Motivated by this progress, we study non-equilibrium Bose gases in the search of turbulence using an oscillatory excitation performed in a Bose-Einstein condensate of 87Rb atoms. In this thesis, we describe these experiments and characterize our non-equilibrium quantum system through some quantifiers. One of these quantifiers is a dimensionless value that represent the exponent γ obtained from the cascade of the transverse momentum distribution ñ(k). ñ(k) is obtained from absorption images of atoms in expansion using the time-of-flight technique in a well defined range of momenta. We analyze the dependence of γ with the amount of the pumped energy, and we found a steady-value which describe a well-established non-equilibrium regime. Also, it is analyzed the viability of using the fluctuations statistics in order to extract some quantifier from the power-spectrum of the fluctuations assuming that it represents an analog to the energy spectrum, due to the consideration of the time-of-flight technique. From the powerspectrum it is extracted an exponent, in the same range as for ñ(k), and compared with γ 2, that will be the exponent for the pseudo-energy spectrum in the kinetic dominated regime. Finally, we consider, again with the time-of-flight technique, the continuous Shannon entropy as quantifier that measure the disorder of the excited clouds and study their dependence with the pumped energy. These studies show us that there is an out-ofequilibrium regime that takes place when we inject a fixed quantity of energy into the system. / Desde há quase um século a condensação de Bose-Einstein vem se tornando cada vez mais importante, especialmente devido à sua forte conexão com superfluidez, supercondutividade e física de muitos corpos. Hoje em dia, os gases quânticos são poderosas ferramentas experimentais para descobrir-se nova física e para emular sistemas em matéria condensada devido à sua grande versatilidade e altíssimo controle. Apesar do uso crescente de gases quânticos como plataformas para se estudar diversos problemas na física, sua compreensão é muito limitada se considerarmos sistemas que estão fora de equilíbrio, devido à falta de controle experimental de todos os parâmetros envolvidos deste tipo de situações. Outra limitação na compreensão deste tipo de sistemas vem da limitação das abordagens teóricas usadas para entender a dinâmica em regimes de não equilíbrio, embora muitos esforços tem sido feitos nessa direção. Assim, muitos fenômenos interessantes em sistemas quânticos fora do equilíbrio ainda não foram descobertos ou bem compreendidos do ponto de vista teórico e experimental, e portanto, sua física não tem sido foco de muita atenção, embora esta situação tenha mudado recentemente devido ao rápido desenvolvimento de técnicas experimentais que permitem um melhor controle dos parâmetros destes sistemas. Motivados por estes progressos, estudamos aqui gases de Bose fora do equilíbrio, na busca de turbulência, através de excitações oscilatórias em um condensado de Bose-Einstein de átomos de 87Rb. Nesta tese, descrevemos estes experimentos e caracterizamos o nosso sistema quântico fora do equilíbrio através de alguns quantificadores. Um desses quantificadores é o valor adimensional que representa o expoente γ obtido da de cascata na distribuição de momento transversal ñ(k). ñ(k) é obtido da imagem de absorção da nuvem atômica em expansão usando a técnica de tempo de voo em um intervalo de momento bem definido. É analisada a dependência de γ com energia bombeada e encontramos um valor constante o qual descreve um regime de não equilíbrio bem estabelecido. Analisamos também a viabilidade do uso da estatística das flutuações para extrair algum quantificador do espectro de potências das flutuações, supondo que ele representa um análogo ao espectro de energia, devido à consideração da técnica de tempo de voo. Do espectro de potências é extraído outro expoente, no mesmo intervalo que para ñ(k), e este é comparado com γ 2, que por sua vez, pode ser considerado como o expoente do espectro de pseudo-energia no regime cinético dominado. Finalmente, consideramos, novamente com a técnica do tempo de voo, a entropia continua de Shannon como quantificador que mede a desordem das nuvens excitadas e estuda sua dependência com a energia bombeada. Estes estudos mostram que há um regime do fora de equilíbrio bem definido que acontece quando injetamos uma quantidade fixa de energia no sistema.