Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:04:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 328309.pdf: 5901532 bytes, checksum: ddce1c80dc72c6bfa1c5aa724baeb7c6 (MD5) Previous issue date: 2014 / Obtivemos o controle sobre as dinâmicas coletivas de um duplo condensado de bósons através do uso de técnicas de impressão de fase sob uma abordagem de campo médio. Um condensado de bósons armadilhado em um potencial de duplo poço (uma junção Bose-Josephson) foi abordada por meio de simulações diretas da Equação de Gross-Pitaevskii. Com conservação de número de partículas e uma definição apropriada de diferença de fase fomos capazes de obter uma representação no espaço de fases das dinâmicas coletivas. O trânsito entre diferentes regimes dinâmicos coletivos foi gerado de forma controlada através do uso de impressões de fase. Alguns resultados secundários foram a avaliação numérica da validade do modelo de dois modos na descrição da dinâmica de Gross-Pitaevskii e uma aproximação não perturbativa semi-analítica das soluções com contrapartida linear da Equação de Gross-Pitaevskii unidimensional independente do tempo.<br> / Abstract : We had obtained the control over the collective dynamics of a double Bose-Einstein condensate by the use of phase imprinting techniques through a mean-field approach. A condensed Bose gas trapped in a double-well potential (a Bose-Josephson junction) is treated by direct simulations of the Gross-Pitaevskii equation. With number conserving and an appropriate definition of phase-difference we had been able to obtain a phase-space representation of the collective dynamics. The transit among the different collective regimes are generated in controlled way by the use of phase imprinting. Some secondary results were the numerical evaluation of the validity of the two-mode model to describe the Gross-Pitaevskii dynamics and a non-perturbative semi-analytic approximation of the solutions with linear counterpart of the time-independent unidimensional Gross-Pitaevskii equation.

Made available in DSpace on 2016-01-13T13:28:16Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004. Added 1 bitstream(s) on 2016-01-13T13:33:50Z : No. of bitstreams: 1 000854729.pdf: 1317489 bytes, checksum: 68caaace27d6289363ea9c1790dd6e12 (MD5)

In this work, we theoretically analyze the behavior of a Bose-Einstein condensate when it is submitted to oscillatory interactions. For that, a homogeneous magnetic field is applied, tuned near a Feshbach resonance, and then it is set to oscillate in time. This variation of the magnetic field causes a scattering length oscillation, which oscillates to interatomic interaction. Thus, we study collective and topological excitations due this oscillation in the interaction. In addition, we have seen a coupling between collective modes as well a dynamical phase transition associated to topological excitation / Neste trabalho, analisamos teoricamente o comportamento de um condensado de Bose-Einstein quando submetido a interações oscilatórias. Para tal, é aplicado um campo magnético homogêneo, sintonizado próximo a uma ressonância de Feshbach e então colocado a oscilar no tempo. Esta variação do campo magnético faz com que o comprimento de espalhamento oscile, oscilando portanto a interação entre os átomos. Com isso, estudamos as excitações coletivas e topológicas provocadas devido a oscilação da interação. Além disso, vimos o acoplamento entre modos coletivos e uma transição de fase dinâmica associada a excitação topológica

Turbulence is a young field of research which is characterized by chaotic spinning flow regimes which appears in many important processes in nature. Vorticity, in superfluid systems, may present the simplest form of turbulence, and be a gateway to the study of this phenomenon in quantum gases. A 87Rb Bose condensate was used to observe and investigate the emergence of quantum turbulence, a few years back in our group. The vortices are created on the condensed-thermal interface and propagate across the cloud, setting up the experimental conditions favorable to the emergence of turbulence. Once the turbulent regime is set, the condensate is released and expands under free fall. Then, the atomic density profile is acquired, after some time-of-flight, and used to determine the in situ momentum distribution of the BEC. In this work, we have observed that, the perturbed density profiles are characteristic and different from the standard, non-perturbed ones. We have seen evidences of power law in the studied momentum and energy distributions and also coupling of quadrupolar mode to the momentum distribution of the excited condensate which is the main part of our findings. Additional features of the system, such as the condensates excited collective modes which plays a very important role on the roadmap to the turbulence regime, are discussed. We are currently setting up an experiment to be able to further investigate such features, and also to unfold the effects of interactions on the energy and momentum spectra associated to the density profiles. In doing so, we will further develop the tools and techniques needed to acquire more accurate and reliable results. / Um dos tópicos recentes das pesquisas em superfluidos atômicos é o estudo da turbulência quântica. Em fluídos, a turbulência é caracterizada pelo regime caótico no escoamento dos fluidos e aparece em muitos importantes processos na natureza. Em sistemas superfluidos, a forma mais simples da turbulência é apresentada pelo enovelamento de vórtices. Assim, o estudo de vórtices nesses sistemas torna-se um ponto de partida para estudar o fenômeno da turbulência em gases quânticos. Há alguns anos atrás, em nosso grupo de pesquisa, um condensado de Bose-Einstein de 87Rb foi usado para observar e investigar a emergência de turbulência quântica. Em continuidade a esses estudos, aplicamos uma excitação oscilatória na nuvem atômica aprisionada e os vórtices são criados na interface entre o condensado e a nuvem térmica, que se propagam para o interior da nuvem, atingindo as condições ideais para o aparecimento de um regime turbulento. Uma vez que esse regime é atingido, o condensado é diagnosticado através de uma imagem de absorção obtida após a sua expansão balística em tempo de voo. O perfil de densidade obtido é usado para determinar a distribuição de momento do condensado aprisionado. Neste trabalho, observamos que os perfis de densidade dos condensados excitados possuem uma forma característica e diferente dos condensados não-excitados. Nos estudos da distribuição de momento e energia dessas nuvens excitadas, vimos uma evidência de uma lei de potência (parecida com a lei de Kolmogorov para turbulência) e, além disso, um acoplamento entre o modo quadrupolar de oscilação da nuvem e a distribuição de momentos dessa nuvem. Também discutimos algumas propriedades adicionais do sistema, por exemplo, os modos coletivos de excitação do condensado, o que tem um papel muito importante na rota para o regime de turbulência quântica. Para continuarmos com os estudos neste tópico de pesquisa, estamos melhorando nosso sistema experimental a fim de investigarmos melhor estas propriedades dinâmicas do superfluido, através dos efeitos dos modos coletivos no espectro de momentos da nuvem atômica. Para isso, pretendemos desenvolver novas técnicas e ferramentas necessárias para realizar medidas mais precisas e reprodutivas.

In this work, we theoretically analyze the behavior of a Bose-Einstein condensate when it is submitted to oscillatory interactions. For that, a homogeneous magnetic field is applied, tuned near a Feshbach resonance, and then it is set to oscillate in time. This variation of the magnetic field causes a scattering length oscillation, which oscillates to interatomic interaction. Thus, we study collective and topological excitations due this oscillation in the interaction. In addition, we have seen a coupling between collective modes as well a dynamical phase transition associated to topological excitation / Neste trabalho, analisamos teoricamente o comportamento de um condensado de Bose-Einstein quando submetido a interações oscilatórias. Para tal, é aplicado um campo magnético homogêneo, sintonizado próximo a uma ressonância de Feshbach e então colocado a oscilar no tempo. Esta variação do campo magnético faz com que o comprimento de espalhamento oscile, oscilando portanto a interação entre os átomos. Com isso, estudamos as excitações coletivas e topológicas provocadas devido a oscilação da interação. Além disso, vimos o acoplamento entre modos coletivos e uma transição de fase dinâmica associada a excitação topológica

Made available in DSpace on 2014-08-27T14:36:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-02-26Bitstream added on 2014-08-27T15:57:04Z : No. of bitstreams: 1 000781512.pdf: 7049961 bytes, checksum: 5670d7d0c2e14f1533ef292642ea6f6d (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Os gases atômicos ultrafrios têm proporcionado um importante ambiente no estudo de sistemas quânticos de muitas partículas nas duas últimas décadas. Em 2005, a realização experimental dum condensado de Bose-Einstein de 'INTPOT. 52 Cr' com interação magnética dipolo dipolo inter-atômica abriu a porta para um novo nível na pesquisa de gases quânticos degenerados. Ao contrário da interacção de contacto, esta nova interação é de longo alcance e anisotrópica sendo em parte repulsiva ou atrativa. Na aproximação de campomeio, inicialmente, são introduzidas as principais questões sobre condesados com especial interesse no regime atrativo (a< 0) onde é possível a formação de solitons brilhantes e a existência da instabilidade por colapso além de um certo valor crítico. O estudo é realizado,principalmente,usandoummétodonuméricoeumvariacional. Posteriormente, o condensado de Bose-Einstein dipolar é descrito através da equação não-local de GrossPitaevskii. A partir do cenário não-dipolar, por meio da extensão no método numérico e no método variacional é determinada a formação de solitons brilhantes na equação de Gross-Pitaevskii nos modelos tridimensional e quasi-unidimensional para três diferentes condensados dipolares de relevância experimental, isto é 'INTPOT. 52 Cr', 'INTPOT. 168 Er' e 'INTPOT. 164 Dy'. Grá?cos do potencial químico e a raiz quadrática média (rms) dos solitons são obtidos. Finalmente, estuda-se a dinâmica da colisão de dois solitons brilhantes no modelo dipolar quasi-1D de cada condensado acima / The ultracold atomic gases have provided an important environment for studying quantum many-particle systems in the last two decades. In 2005 the experimental realization of a 'INTPOT. 52 Cr' Bose-Einstein condensate with inter-atomic magnetic dipole dipole interaction opened the door to a new level in the research of degenerate quantum gases. As opposed to the usual contact interaction, this new interaction is long-range and anisotropic being partially repulsive or attractive. In the mean-?eld approximation initially are introduced the main issues about non-dipolar condensates with particular interest in the attractive regime (a< 0) where is possible the formation of bright solitons and the existence of instability by collapse beyond a certain critical value. The study is carried out mainly using a numerical method and a variational one. Later, the dipolar Bose-Einstein condensate is depicted by means of the non-local Gross-Pitaevskii equation. From the non-dipolar scenario by means of the extension in the numerical and the variational method is determined the formation of bright solitons in the GPE in the three-dimensional model and thequasi-one-dimensionaltothreedi?erentdipolarcondensatesofexperimentalrelevance, namely 'INTPOT. 52 Cr', 'INTPOT. 168 Er' and 'INTPOT. 164 Dy'. Plots of chemical potential and rms sizes of solitons are obtained. Finally, it is studied collision dynamics of two bright solitons in the quasi-1D dipolar model of every condensate above

Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Nesta tese abordaremos os processos de fotoassociação em condensação de Bose- Einstein. Estes podem ser resumidos da seguinte forma: um condensado formados por átomos, inicialmente no estado fundamental, é iluminado com laseres de freqüência adequada, de tal modo que os átomos se combinem em moléculas. Tudo isto sem que o condensado deixe de existir por conta de instabilidades envolvidas neste processo. O que acabamos de descrever tem um equivalente na ótica quântica: a geração de segundo harmônico, cujas equações são semelhantes as do condensado. A natureza mais complexa das interações entre átomos, bem como a consideração de graus de liberdade internos, inclui efeitos potencialmente mais interessante que os encontrados com a luz. A quantidade de fenômenos que pode ser abordada é muito grande. As ressonâncias de Feshbach, por exemplo, são capazes de alterar a natureza da interação interatômica. Também podemos ter dois átomos fermiônicos formando uma molécula bosónica. Há efeitos de interferência entre dois condensados e estudos teóricos concernentes a fase relativa entre eles. Também é importante citarmos os estudo sobre vórtices e momento angular, enfim, há todo um zoológico de idéias a serem propostas teoricamente ou experimentalmente. Assim como em 1911 repentinamente surgiram novas áreas de estudo devido a descoberta da supercondutividade, aqui ocorre algo semelhante, uma fronteira da física foi aberta e devemos explora-la até que novos limites sejam alcançados.

Orientador: Sadhan Kumar Adhikari / Banca: Arnaldo Gammal / Banca: Lauro Tomio / Resumo: Os gases atômicos ultrafrios têm proporcionado um importante ambiente no estudo de sistemas quânticos de muitas partículas nas duas últimas décadas. Em 2005, a realização experimental dum condensado de Bose-Einstein de 'INTPOT. 52 Cr' com interação magnética dipolo dipolo inter-atômica abriu a porta para um novo nível na pesquisa de gases quânticos degenerados. Ao contrário da interacção de contacto, esta nova interação é de longo alcance e anisotrópica sendo em parte repulsiva ou atrativa. Na aproximação de campomeio, inicialmente, são introduzidas as principais questões sobre condesados com especial interesse no regime atrativo (a< 0) onde é possível a formação de solitons brilhantes e a existência da instabilidade por colapso além de um certo valor crítico. O estudo é realizado,principalmente,usandoummétodonuméricoeumvariacional. Posteriormente, o condensado de Bose-Einstein dipolar é descrito através da equação não-local de GrossPitaevskii. A partir do cenário não-dipolar, por meio da extensão no método numérico e no método variacional é determinada a formação de solitons brilhantes na equação de Gross-Pitaevskii nos modelos tridimensional e quasi-unidimensional para três diferentes condensados dipolares de relevância experimental, isto é 'INTPOT. 52 Cr', 'INTPOT. 168 Er' e 'INTPOT. 164 Dy'. Gráficos do potencial químico e a raiz quadrática média (rms) dos solitons são obtidos. Finalmente, estuda-se a dinâmica da colisão de dois solitons brilhantes no modelo dipolar quasi-1D de cada condensado acima / Abstract: The ultracold atomic gases have provided an important environment for studying quantum many-particle systems in the last two decades. In 2005 the experimental realization of a 'INTPOT. 52 Cr' Bose-Einstein condensate with inter-atomic magnetic dipole dipole interaction opened the door to a new level in the research of degenerate quantum gases. As opposed to the usual contact interaction, this new interaction is long-range and anisotropic being partially repulsive or attractive. In the mean-field approximation initially are introduced the main issues about non-dipolar condensates with particular interest in the attractive regime (a< 0) where is possible the formation of bright solitons and the existence of instability by collapse beyond a certain critical value. The study is carried out mainly using a numerical method and a variational one. Later, the dipolar Bose-Einstein condensate is depicted by means of the non-local Gross-Pitaevskii equation. From the non-dipolar scenario by means of the extension in the numerical and the variational method is determined the formation of bright solitons in the GPE in the three-dimensional model and thequasi-one-dimensionaltothreedifferentdipolarcondensatesofexperimentalrelevance, namely 'INTPOT. 52 Cr', 'INTPOT. 168 Er' and 'INTPOT. 164 Dy'. Plots of chemical potential and rms sizes of solitons are obtained. Finally, it is studied collision dynamics of two bright solitons in the quasi-1D dipolar model of every condensate above / Mestre

Turbulence is a young field of research which is characterized by chaotic spinning flow regimes which appears in many important processes in nature. Vorticity, in superfluid systems, may present the simplest form of turbulence, and be a gateway to the study of this phenomenon in quantum gases. A 87Rb Bose condensate was used to observe and investigate the emergence of quantum turbulence, a few years back in our group. The vortices are created on the condensed-thermal interface and propagate across the cloud, setting up the experimental conditions favorable to the emergence of turbulence. Once the turbulent regime is set, the condensate is released and expands under free fall. Then, the atomic density profile is acquired, after some time-of-flight, and used to determine the in situ momentum distribution of the BEC. In this work, we have observed that, the perturbed density profiles are characteristic and different from the standard, non-perturbed ones. We have seen evidences of power law in the studied momentum and energy distributions and also coupling of quadrupolar mode to the momentum distribution of the excited condensate which is the main part of our findings. Additional features of the system, such as the condensates excited collective modes which plays a very important role on the roadmap to the turbulence regime, are discussed. We are currently setting up an experiment to be able to further investigate such features, and also to unfold the effects of interactions on the energy and momentum spectra associated to the density profiles. In doing so, we will further develop the tools and techniques needed to acquire more accurate and reliable results. / Um dos tópicos recentes das pesquisas em superfluidos atômicos é o estudo da turbulência quântica. Em fluídos, a turbulência é caracterizada pelo regime caótico no escoamento dos fluidos e aparece em muitos importantes processos na natureza. Em sistemas superfluidos, a forma mais simples da turbulência é apresentada pelo enovelamento de vórtices. Assim, o estudo de vórtices nesses sistemas torna-se um ponto de partida para estudar o fenômeno da turbulência em gases quânticos. Há alguns anos atrás, em nosso grupo de pesquisa, um condensado de Bose-Einstein de 87Rb foi usado para observar e investigar a emergência de turbulência quântica. Em continuidade a esses estudos, aplicamos uma excitação oscilatória na nuvem atômica aprisionada e os vórtices são criados na interface entre o condensado e a nuvem térmica, que se propagam para o interior da nuvem, atingindo as condições ideais para o aparecimento de um regime turbulento. Uma vez que esse regime é atingido, o condensado é diagnosticado através de uma imagem de absorção obtida após a sua expansão balística em tempo de voo. O perfil de densidade obtido é usado para determinar a distribuição de momento do condensado aprisionado. Neste trabalho, observamos que os perfis de densidade dos condensados excitados possuem uma forma característica e diferente dos condensados não-excitados. Nos estudos da distribuição de momento e energia dessas nuvens excitadas, vimos uma evidência de uma lei de potência (parecida com a lei de Kolmogorov para turbulência) e, além disso, um acoplamento entre o modo quadrupolar de oscilação da nuvem e a distribuição de momentos dessa nuvem. Também discutimos algumas propriedades adicionais do sistema, por exemplo, os modos coletivos de excitação do condensado, o que tem um papel muito importante na rota para o regime de turbulência quântica. Para continuarmos com os estudos neste tópico de pesquisa, estamos melhorando nosso sistema experimental a fim de investigarmos melhor estas propriedades dinâmicas do superfluido, através dos efeitos dos modos coletivos no espectro de momentos da nuvem atômica. Para isso, pretendemos desenvolver novas técnicas e ferramentas necessárias para realizar medidas mais precisas e reprodutivas.

São investigadas, utilizando-se a distribuição grande canônica, as modificações introduzidas nas propriedades termodinâmicas e magnéticas de um sistema de bosons confinado por um potencial harmônico cilindricamente e esfericamente simétrico. O sistema apresenta condensação de B.E. somente no limite de confinamento fraco e a causa desta transição é devido a não homogeneidade do sistema, além da dependência da função densidade de estados próximos da energia mínima. Para este limite de confinamento fraco, são analisados ainda os limites de campo magnético forte ou fraco, apresentando comportamentos distintos, podendo ser comparados com o sistema de May ou com o sistema de gás ideal não confinado e com campo magnético nulo (sistema livre). A ordem da transição analisada constatando-se não ser de primeira ordem. O calor específico mostra uma descontinuidade finita na temperatura de transição. Abaixo desta temperatura de transição, o sistema apresenta uma magnetização espontânea, valendo então a lei B-H. / The modifications introduced in the thermodynamic and magnetic properties of a bosons system which is limited by a spherical and cylindrically harmonic potencial are investigated, using the grand canonical distribution. The system presents B.E. condensation only in the weak confinement limit and the cause of this transition is due to the non-homogeneity of the system in addition to the dependence of the density function of states near the minimum energy level. About this weak confinement limit, the limits o£ the strong or weak magnetic field are analysed too. The limit of the strong or weak magnetic field show distinctive behavior and they may be compared with the May\'s system or with the non-confined system of the ideal gas and with the null-magnetic field (free system). The order of this transition is analysed and it is verified as not being of the first order. The specific heat present a finite discontinuity in the transition temperature. Below this transition temperature, the system presents a spontaneous magnetization thus satisfying the B-H law.