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.

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.

Neste trabalho, estudamos as consequências causadas em um condensado de Bose-Einstein de átomos de 87Rb quando sujeito a uma excitação oscilatória externa. Para a produção do condensado utilizamos técnicas de resfriamento atômico, como o resfriamento a laser e o resfriamento evaporativo, em átomos aprisionados em uma armadilha magnética harmônica. A excitação externa é produzida através de um campo magnético quadrupolar oscilatório que é sobreposto ao campo de aprisionamento. Para uma forma fixa dessa excitação, observamos que podemos excitar modos coletivos de oscilação na amostra de condensado, em especial analisamos os modos breathing, dipolar, quadrupolar e o scissor mode. Durante o movimento dipolar do condensado na armadilha magnética, identificamos que há um escoamento contrapropagante do condensado em relação à nuvem térmica que o permeia. Esse escoamento é analisado como um movimento de dois fluidos, onde o condensado desempenha o papel de um superfluido e a nuvem térmica o de um fluido normal. Irregularidades na superfície do condensado são observadas e seus comprimentos característicos crescem na região dos pontos de retorno do movimento dipolar do condensado. Nesses pontos, a forma das irregularidades sugerem estar relacionadas com o processo de geração de vórtices na amostra superfluida. Com base nestas análises, determinamos o valor da velocidade relativa dos fluidos e qual deve ser, tipicamente, o valor da velocidade relativa crítica para que as irregularidades se tornam maiores, possibilitando a geração de vórtices. As análises apresentadas neste trabalho são dedicadas a entender os mecanismos que possibilitaram, em nosso sistema, a observação de vórtices, turbulência quântica e a granulação do condensado, em 2009. / In this work we have studied the effects caused by an external oscillatory excitation in a Bose-Einstein condensate of 87Rb. The condensate is produced through by atomic laser cooling techniques, as laser cooling and evaporative cooling, for trapped atoms in a harmonic magnetic trap. The external excitation is generated by an oscillating magnetic quadrupole field superimposed to the trapping field. For a fixed type of excitation, we observe that collective modes of oscillation are excited in the condensate sample, particularly we analyze the dipole mode, quadrupole and scissor mode. During the motion of the condensate in dipolar mode inside the magnetic trap, we have identified a counterflow, i. e. a relative motion between the condensate and the thermal cloud. This flow is analyzed as a two fluids motion, where the condensate plays the role of a superfluid and the thermal cloud a normal fluid. Irregularities on the condensate surface are observed and their characteristic lengths grow in the turning point regions of this dipolar motion. At these points, the shape of this irregularities seems to be related to the vortices generation process in a superfluid sample. Based on this analysis, we determine the velocity of the counterflow and the critical velocity for the irregularities to become larger, allowing the generation of vortices. The analyses presented in this work are dedicated to understand the mechanisms that allowed in our system the observation of vortices, quantum turbulence and the condensate granulation, in 2009.

Neste trabalho, estudamos as consequências causadas em um condensado de Bose-Einstein de átomos de 87Rb quando sujeito a uma excitação oscilatória externa. Para a produção do condensado utilizamos técnicas de resfriamento atômico, como o resfriamento a laser e o resfriamento evaporativo, em átomos aprisionados em uma armadilha magnética harmônica. A excitação externa é produzida através de um campo magnético quadrupolar oscilatório que é sobreposto ao campo de aprisionamento. Para uma forma fixa dessa excitação, observamos que podemos excitar modos coletivos de oscilação na amostra de condensado, em especial analisamos os modos breathing, dipolar, quadrupolar e o scissor mode. Durante o movimento dipolar do condensado na armadilha magnética, identificamos que há um escoamento contrapropagante do condensado em relação à nuvem térmica que o permeia. Esse escoamento é analisado como um movimento de dois fluidos, onde o condensado desempenha o papel de um superfluido e a nuvem térmica o de um fluido normal. Irregularidades na superfície do condensado são observadas e seus comprimentos característicos crescem na região dos pontos de retorno do movimento dipolar do condensado. Nesses pontos, a forma das irregularidades sugerem estar relacionadas com o processo de geração de vórtices na amostra superfluida. Com base nestas análises, determinamos o valor da velocidade relativa dos fluidos e qual deve ser, tipicamente, o valor da velocidade relativa crítica para que as irregularidades se tornam maiores, possibilitando a geração de vórtices. As análises apresentadas neste trabalho são dedicadas a entender os mecanismos que possibilitaram, em nosso sistema, a observação de vórtices, turbulência quântica e a granulação do condensado, em 2009. / In this work we have studied the effects caused by an external oscillatory excitation in a Bose-Einstein condensate of 87Rb. The condensate is produced through by atomic laser cooling techniques, as laser cooling and evaporative cooling, for trapped atoms in a harmonic magnetic trap. The external excitation is generated by an oscillating magnetic quadrupole field superimposed to the trapping field. For a fixed type of excitation, we observe that collective modes of oscillation are excited in the condensate sample, particularly we analyze the dipole mode, quadrupole and scissor mode. During the motion of the condensate in dipolar mode inside the magnetic trap, we have identified a counterflow, i. e. a relative motion between the condensate and the thermal cloud. This flow is analyzed as a two fluids motion, where the condensate plays the role of a superfluid and the thermal cloud a normal fluid. Irregularities on the condensate surface are observed and their characteristic lengths grow in the turning point regions of this dipolar motion. At these points, the shape of this irregularities seems to be related to the vortices generation process in a superfluid sample. Based on this analysis, we determine the velocity of the counterflow and the critical velocity for the irregularities to become larger, allowing the generation of vortices. The analyses presented in this work are dedicated to understand the mechanisms that allowed in our system the observation of vortices, quantum turbulence and the condensate granulation, in 2009.

In this thesis, we present the generation and studies of a 87Rb Bose-Einstein condensate (BEC) perturbed by an oscillatory excitation. The atoms are trapped in a harmonic magnetic trap where, after an evaporative cooling process, we produce the BEC. In order to study the effect caused by oscillatory excitations, a quadrupole magnetic field time oscillatory is superimposed to the trapping potential. Through this perturbation, collective modes were observed. The dipole mode is excited even for low excitation amplitudes. However, a minimum excitation energy is needed to excite the condensate quadrupole mode. Observing the excited cloud in TOF expansion, we note that for excitation amplitude in which the quadrupole mode is excited, the cloud expands without invert its aspect ratio. By looking these clouds, after long time-of-flight, it was possible to see vortices and, sometimes, a turbulent state in the condensed cloud. We calculated the momentum distribution of the perturbed BECs and a power law behavior, like the law to Kolmogorov turbulence, was observed. Furthermore, we show that using the method that we have developed to calculate the momentum distribution, the distribution curve (including the power law exponent) exhibits a dependence on the quadrupole mode oscillation of the cloud. The randomness distribution of peaks and depletions in density distribution image of an expanded turbulent BEC, remind us to the intensity profile of a speckle light beam. The analogy between matter-wave speckle and light speckle is justified by showing the similarities in the spatial propagation (or time expansion) of the waves. In addition, the second order correlation function is evaluated and the same dependence with distance was observed for the both waves. This creates the possibility to understand the properties of quantum matter in a disordered state. The propagation of a three-dimensional speckle field (as the matter-wave speckle described here) creates an opportunity to investigate the speckle phenomenon existing in dimensions higher than 2D (the case of light speckle). / Nesta tese, descrevemos a produção e os estudos de condensados de Bose-Einstein, em átomos de 87Rb, perturbados através de excitações oscilatórias. Os átomos aprisionados são aprisionados em uma armadilha magnética harmônica onde produzimos o condensado de Bose-Einstein após o processo de resfriamento evaporativo. Com o objetivo de estudar o efeito de excitações oscilatórias, um campo magnético quadrupolar temporalmente oscilanteé superposto ao campo de aprisionamento. Através dessa perturbação, podemos observar a excitação de modos coletivos no condensado. Mesmo para baixas amplitudes de excitação, o modo dipolar é facilmente excitado. Porém, observamos que para excitar o modo quadrupolar no condensado é necessária uma energia mínima. Através da expansão em tempo de voo da nuvem excitada, identificamos que, para amplitude de excitação na quail o modo quadrupolar é excitado, a nuvem expande sem inverter o aspect ratio. Analisando essas nuvens por longos tempos de voo, foi possível observar alguns vórtices e, às vezes, um estado turbulento na nuvem condensada. Calculamos a distribuição de momento dessas nuvens e notamos que ela exibe um comportamento de lei de potência, parecido com a lei de Kolmogorov para turbulência. Além disso, mostramos que pelo nosso método que desenvolvemos para calcular a distribuição de momento, a forma da curva dessa distribuição (inclusive o expoente da lei de potência) exibe uma dependência com o modo quadrupolar de oscilação da nuvem. A distribuição desordenada de picos e depleções, na imagem da distribuição de densidade do condensado turbulento expandido, assemelha-se ao perfil de intensidade de um feixe de luz com speckle. A analogia entre speckle de onda de matéria e de luz é fundamentada através das semelhanças entre a propagação (ou expansão) dessas duas ondas. Além disso, a função de correlação de segunda ordem foi calculada e a mesma dependência com a distância foi observada para as duas ondas. Isto cria a possibilidade de entender melhor as propriedades da matéria quântica em um estado de desordem. A propagação de um campo de speckle tridimensional (como é o caso do speckle de onda de matéria aqui descrito) cria uma oportunidade de investigar o fenômeno de speckle em dimensões maiores que 2D (o caso do speckle de luz).

In this thesis, we present the generation and studies of a 87Rb Bose-Einstein condensate (BEC) perturbed by an oscillatory excitation. The atoms are trapped in a harmonic magnetic trap where, after an evaporative cooling process, we produce the BEC. In order to study the effect caused by oscillatory excitations, a quadrupole magnetic field time oscillatory is superimposed to the trapping potential. Through this perturbation, collective modes were observed. The dipole mode is excited even for low excitation amplitudes. However, a minimum excitation energy is needed to excite the condensate quadrupole mode. Observing the excited cloud in TOF expansion, we note that for excitation amplitude in which the quadrupole mode is excited, the cloud expands without invert its aspect ratio. By looking these clouds, after long time-of-flight, it was possible to see vortices and, sometimes, a turbulent state in the condensed cloud. We calculated the momentum distribution of the perturbed BECs and a power law behavior, like the law to Kolmogorov turbulence, was observed. Furthermore, we show that using the method that we have developed to calculate the momentum distribution, the distribution curve (including the power law exponent) exhibits a dependence on the quadrupole mode oscillation of the cloud. The randomness distribution of peaks and depletions in density distribution image of an expanded turbulent BEC, remind us to the intensity profile of a speckle light beam. The analogy between matter-wave speckle and light speckle is justified by showing the similarities in the spatial propagation (or time expansion) of the waves. In addition, the second order correlation function is evaluated and the same dependence with distance was observed for the both waves. This creates the possibility to understand the properties of quantum matter in a disordered state. The propagation of a three-dimensional speckle field (as the matter-wave speckle described here) creates an opportunity to investigate the speckle phenomenon existing in dimensions higher than 2D (the case of light speckle). / Nesta tese, descrevemos a produção e os estudos de condensados de Bose-Einstein, em átomos de 87Rb, perturbados através de excitações oscilatórias. Os átomos aprisionados são aprisionados em uma armadilha magnética harmônica onde produzimos o condensado de Bose-Einstein após o processo de resfriamento evaporativo. Com o objetivo de estudar o efeito de excitações oscilatórias, um campo magnético quadrupolar temporalmente oscilanteé superposto ao campo de aprisionamento. Através dessa perturbação, podemos observar a excitação de modos coletivos no condensado. Mesmo para baixas amplitudes de excitação, o modo dipolar é facilmente excitado. Porém, observamos que para excitar o modo quadrupolar no condensado é necessária uma energia mínima. Através da expansão em tempo de voo da nuvem excitada, identificamos que, para amplitude de excitação na quail o modo quadrupolar é excitado, a nuvem expande sem inverter o aspect ratio. Analisando essas nuvens por longos tempos de voo, foi possível observar alguns vórtices e, às vezes, um estado turbulento na nuvem condensada. Calculamos a distribuição de momento dessas nuvens e notamos que ela exibe um comportamento de lei de potência, parecido com a lei de Kolmogorov para turbulência. Além disso, mostramos que pelo nosso método que desenvolvemos para calcular a distribuição de momento, a forma da curva dessa distribuição (inclusive o expoente da lei de potência) exibe uma dependência com o modo quadrupolar de oscilação da nuvem. A distribuição desordenada de picos e depleções, na imagem da distribuição de densidade do condensado turbulento expandido, assemelha-se ao perfil de intensidade de um feixe de luz com speckle. A analogia entre speckle de onda de matéria e de luz é fundamentada através das semelhanças entre a propagação (ou expansão) dessas duas ondas. Além disso, a função de correlação de segunda ordem foi calculada e a mesma dependência com a distância foi observada para as duas ondas. Isto cria a possibilidade de entender melhor as propriedades da matéria quântica em um estado de desordem. A propagação de um campo de speckle tridimensional (como é o caso do speckle de onda de matéria aqui descrito) cria uma oportunidade de investigar o fenômeno de speckle em dimensões maiores que 2D (o caso do speckle de luz).