In this thesis we have basically studied two aspects of BoseEinstein condensation (BEC) in trapped dilute gases: (i) superfluidity with the possible onset of quantum turbulence (QT), and (ii) nonuniformity, which suggests the definition of new variables in order to build a global thermodynamic description. Both analyses were performed in a 87Rb BEC magnetically trapped in a QuadrupoleIoffe configuration (QUIC) trap. Concerning the first item, vortices and QT were generated by applying an oscillatory excitation formed by a quadrupole magnetic field superimposed onto the QUIC trapping potential. Scanning both the excitation amplitude and its duration allowed us to observe different regimes, particularly one with regular, welldefined vortices and another, where the onset of QT is believed to have occurred. The transition between this two regimes were explained by considering the finitesize characteristic of trapped gases. Additionally, data analyses on three vortex configurations suggested the presence of both vortices and antivortices (opposite circulation sign), and the vortex nucleation mechanism was proposed to be related to a relative motion between the condensate and thermal components, namely a counterflow. As for the second item, the BEC transition in our experiment was characterized in terms of new global thermodynamic variables. A phase diagram was constructed and compared to the superfluid helium phase transition. Finally, we provide preliminary results on the calculation of a global heat capacity, and briefly discuss the advantages of this new approach over the local density approximation alternative, particularly on BEC clouds in the presence of vortices and QT. / Nesta tese, nós estudamos dois aspectos da condensação de BoseEinstein (CBE) em gases diluídos aprisionados: (i) superfluidez e a possível ocorrência de turbulência quântica (TQ); e (ii) nãouniformidade, o que sugere um tratamento termodinâmico diferente pela definição de novas variáveis globais. Ambos os estudos foram realizados em amostras condensadas de átomos de 87Rb aprisionados magneticamente numa armadilha do tipo QUIC. Em relação ao primeiro item, a geração de vórtices e TQ ocorreu pela aplicação de uma excitação oscilatória gerada pela adição de um campo quadrupolar ao potencial confinante do QUIC. Como dependência da amplitude e duração da excitação, diferentes regimes foram observados. Particularmente, num dos regimes, apenas vórtices bem definidos foram observados e em outro, imagens consistentes com a ocorrência de TQ foram obtidas. A transição entre estes dois regimes foi explicada em termos do tamanho finito característico de gases aprisionados. Além disto, através da análise de dados mostrando configurações com três vórtices, pudemos inferir a presença de vórtices e antivórtices (circulação oposta). Para explicar o mecanismo de nucleação de vórtices, analisamos, como possível causa, um movimento relativo entre as componentes térmicas e condensadas das amostras, conhecido como contrafluxo. Já em relação ao segundo item, a transição de fase da CBE foi descrita em termos de novas variáveis termodinâmicas globais. Um diagrama de fase foi construído ressaltando as semelhanças com a transição observada no hélio superfluido. Por fim, apresentamos resultados preliminares sobre o cálculo de uma capacidade térmica global e discutimos as vantagens desta nova abordagem em relação à alternativa usual baseada na aproximação de densidade local. Estas vantagens são particularmente relevantes no caso de nuvens condensadas que apresentam vórtices e TQ.

Estudamos um modelo exatamente solúvel para um condensado de Bose- Einstein hetero-atômico molecular. Começamos por uma revisão da integrabilidade do modelo através da álgebra de Yang-Baxter. Usando uma analise clássica, determinamos os pontos fixos do espaço de fase do sistema. Encontramos bifurcações dos pontos fixos que separam o espaço de parâmetros em diferentes regiões. Dois cenários distintos emergem, dependendo do número de átomos de espécies diferentes ser igual ou não. Este resultado sugere que as propriedades do estado fundamental do sistema exibem uma sensibilidade incomum a diferença hetero-atômica. Confirmamos esta indicação através de analises quânticas usando diferentes métodos, tais como o gap de energia, fidelidade, emaranhamento e o comportamento das soluções das equações do ansatz de Bethe para o estado fundamental. / We study an exactly solvable model for hetero-atomic-molecular Bose- Einstein condensates. We start by revisiting the integrability of the model trhough the Yang-Baxter algebra. Using a classical analysis we determine the phase space fixed points of the system. It is found that bifurcations of the fixed points naturally separate the coupling parameter space in different regions. Remarkably, two distinct scenarios emerge, depending if the number of atoms of different species is equal or not. This result suggests the groundstate properties of the model exhibit an unusual sensitivity on the atomic imbalance. We then confirm this finding by a quantum analysis using different approaches, such as the energy gap, the fidelity, the entanglement and the behaviour of the ground-state solutions of the Bethe ansatz equations.

Investigamos transições de fase quânticas em condensados de Bose-Einstein unidimensionais em rede, descritos pelo modelo de Bose-Hubbard e generalizações. Nosso foco principal é na transição de localização induzida tanto por desordem aleatória (modelo de Anderson) quanto por potenciais incomensuráveis (modelo de Aubry-André). Por meio de diagonalização exata do Hamiltoniano, calculamos fração de superfluído (parâmetro apropriado para sinalizar localização), emaranhamento, gap de energia, compressibilidade, e fidelidade do estado fundamental. Complementando-se mutuamente, essas quantidades dão claras indicações da ocorrência de transições de fases quânticas, mesmo em redes pequenas. Analisamos em detalhe efeitos de tamanho finito, obtendo expoentes críticos para a transição de localização de Anderson, tanto no limite não interagente quanto com interação fraca. Também estudamos a transição entre as fases isolante de Mott e vidro de Bose para interação forte, que pode ser tratada com um limite de baixa mobilidade (pequena amplitude de hopping). Adicionalmente, estudamos propriedades topológicas de um modelo de Aubry-André unidimensional generalizado, e sua inter-relação com a “desordem”, com especial atenção para a estabilidade de certos estados topológicos frente a uma perturbação periódica incomensurável. / We investigate quantum phase transitions in one-dimensional Bose-Einstein condensates on a lattice, described by the Bose-Hubbard model and generalizations. Our main focus is on the localization transition induced by either random disorder (the Anderson model) or incommensurate potentials (the Aubry-Andr´e model). By means of exact diagonalization of the Hamiltonian, we calculate superfluid fraction (an appropriate parameter to signal localization), entanglement, energy gap, compressibility, and ground-sate fidelity. Complementing each other, these quantities provide clear signatures of quantum phase transitions, even for small lattices. We analyze finite-size effects in detail, obtaining critical exponents for the Anderson-localization transition, both in the non-interacting limit and with weak interaction. We also study the transition between the Mott-insulator and Bose-glass phases for strong interactions, which can be treated as a low-mobility (small-hopping) limit. In addition, we study topological properties of a generalized one-dimensional Aubry-André model, and their interplay with “disorder”, focusing on the robustness of certain topological states against a periodic incommensurate perturbation.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Neste trabalho, apresentamos alguns resultados sobre a existÃncia de imersÃes locais em espaÃos de Einstein, obtidos por Carlos Romero e colaboradores e publicados em [1], [4] e [6]. De fato, pesquisa desenvolvida por estes autores permitiu obter resultados ainda mais abrangentes do que os expostos presentemente.

M.Sc. / General Relativity, as defined by Einstein's equations, defines the geometry of the universe. In Numerical Relativity, Einstein's equations are solved with the aid of numerical methods and computers. This dissertation discusses the ADM formulation of Numerical Relativity via a Cauchy approach. (ADM refers to the initials of the discoverers of this method: Arnowitt, Deser and Misner.) When working within relativistic equations, a computer algebra code is very useful and such a code is described in this dissertation. In order to illustrate computational cost saving techniques, only spherically symmetric space-times are considered. Furthermore, we present and test a numerical code that implements the standard ADM approach in order to accurately evolve a single black hole space-time. Finally, we discuss the implementation of a maximal slicing gauge condition that refines the numerical code by giving it singularity avoidance properties.

The study of geodesics in space-time is essential to a comprehensive understanding of the physics of the field. Global properties, e.g. the singularity structure and completeness of space-time, can be related to the geodesic properties, thus it is through the solutions of the geodesic equation of motion that many of the global properties of space-time can be obtained in an easily interpretable form. However, it is usually very difficult to integrate the geodesic equations for the particle motion in the presence of a gravitational field (Introduction, p. 1)

The presence of quantized vortices and a high level of control over trap geometries and other system parameters make dilute-gas Bose-Einstein condensates (BECs) a natural environment for studies of vortex dynamics and quantum turbulence in superfluids, primary interests of the BEC group at the University of Arizona. Such research may lead to deeper understanding of the nature of quantum fluid dynamics and far-from-equilbrium phenomena.Despite the importance of quantized vortex dynamics in the fields of superfluidity, superconductivity and quantum turbulence, direct imaging of vortices in trapped BECs remains a significant technical challenge. This is primarily due to the small size of the vortex core in a trapped gas, which is typically a few hundred nanometers in diameter. In this dissertation I present the design and construction of a new ^87Rb BEC apparatus with the goal of studying vortex dynamics in trapped BECs. The heart of the apparatus is a compact vacuum chamber with a custom, all-glass science cell designed to accommodate the use of commercial high-numerical-aperture microscope objectives for in situ imaging of vortices.The designs for the new system are, in part, based on prior work in our group on in situ imaging of vortices. Here I review aspects of our prior work and discuss some of the successes and limitations that are relevant to the new apparatus. The bulk of the thesis is used to described the major subsystems of the new apparatus which include the vacuum chamber, the laser systems, the magnetic transfer system and the final magnetic trap for the atoms. Finally, I demonstrate the creation of a BEC of ~2x10^6 ^87Rb atoms in our new system and show that the BEC can be transferred into a weak, spherical, magnetic trap with a well defined magnetic field axis that may be useful for future vortex imaging studies.

Neste trabalho investigamos os diferentes estados de um sistema de bósons de spin 1 em dois poços de potencial conectados por tunelamento, com interação dependente de spin. O modelo utiliza o conhecido hamiltoniano de Bose-Hubbard, adicionando um termo de interação local que depende do módulo do spin total em um poço, podendo favorecer um estado de alto ou baixo spin para diferentes sinais da constante de acoplamento. Empregamos o conceito de fidelidade para detectar valores críticos dos parâmetros do modelo para os quais o estado fundamental sofre mudanças significativas. A natureza dos estados é investigada através do cálculo de números médios de ocupação nos poços e correlações de spin. A análise mais detalhada é feita para um sistema de duas partículas, mas alguns exemplos para números maiores são também apresentados. / In this work we investigate the different states of a system of spin-1 bosons in two potential wells connected by tunneling, with spin-dependent interaction. The model utilizes the well-known Bose-Hubbard Hamiltonian, adding a local interaction term that depends on the modulus of the total spin in a well, favoring a high- or low-spin state for different signs of the coupling constant. We employ the concept of fidelity to detect critical values of model parameters for which the ground state undergoes significant changes. The nature of the states is investigated through evaluation of average occupation numbers in the wells and of spin correlations. A more detailed analysis is done for a two-particle system, but some examples for larger numbers are also presented.

Orientador: Patricio A. Letelier Sotomayor / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-07-18T09:28:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Giraldi_GilsonAntonio_M.pdf: 1912549 bytes, checksum: 53dde628f847263ee968d32f70ba4a19 (MD5) Previous issue date: 1993 / Resumo: Neste trabalho consideramos ondas gravitacionais com simetria cilíndrica que possam ser reduzidas à forma de Einstein-Rosen. Dentre as componentes tetrádicas não nulas do tensor de Riemann-Cristoffel da métrica de interesse, destacamos 3 independentes que geram as demais. Escolhemos a classe de soluções polinomiais da equação de onda cilíndrica correspondente e analisamos as componentes tetrádicas independentes e os invariantes de curvatura calculados para alguns elementos desta classe. Analisamos também a Energia C no contexto do presente trabalho, concluindo que as duas definições propostas não se aplicam aos nossos casos. / Abstract: In this work, the gravitational waves with cylindrical symmetry wich can be reduced to the Einstein-Rosen form are considered. From the non-null tetradic components of the Riemann-Cristoffel tensor associated to this metric we distinguish tree independent component which generate the others. A polynomial class of solutions for the correspondent cylindrical wave equation is studied. We analyse the independent tetradic components and the invariants of curvature for some elements of this class. We also analyse the concept of C-Energy in the context of the present work. We conclude that both definitions proposed are not applicable in this case. / Mestrado / Mestre em Matemática Aplicada

In this work, dipolar Bose-Einstein condensates in multiwell potentialsplaced to form dierent geometrical structures are studied theoretically inorder to determine how the ground state population of the particles in thepotential wells changes depending on the relative strength of the particlesdipole moment. In the analytical limit (neglecting intersite tunneling), asymmetry-breaking change in the number of wells that are populated byparticles is observed for all studied systems for a certain value of the rela-tive strength of the particles dipole moment. The numerical calculationsfor nonzero intersite tunneling show a non-degenerate bifurcation whichis not seen in the analytical limit.