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.

Submitted by JOHN HADDER SANDOVAL QUESADA null (jsandoval@ift.unesp.br) on 2016-03-21T13:14:37Z No. of bitstreams: 1 Thesis.pdf: 687348 bytes, checksum: 6368301fa02619d10860d9db3bec7418 (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-03-22T14:28:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 quesada_jhs_me_ift.pdf: 687348 bytes, checksum: 6368301fa02619d10860d9db3bec7418 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-22T14:28:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 quesada_jhs_me_ift.pdf: 687348 bytes, checksum: 6368301fa02619d10860d9db3bec7418 (MD5) Previous issue date: 2016-01-28 / Outra / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho foca no estudo de sistemas de poucos corpos em duas dimensões no regime universal, onde as propriedades do sistema quântico independem dos detalhes da interação de curto alcance entre as partículas (o comprimento de espalhamento de dois corpos é muito maior que o alcance do potencial). Nós utilizamos a decomposição de Faddeev para escrever as equações para os estados ligados. Através da solução numérica dessas equações nós calculamos as energias de ligação e os raios quadráticos médios de um sistema composto por dois bósons (A) e uma partícula diferente (B). Para uma razão de massas mB/mA = 0.01 o sistema apresenta oito estados ligados de três corpos, os quais desaparecem um por um conforme aumentamos a razão de massas restando somente os estados fundamental e primeiro excitado. Os comportamentos das energias e dos raios para razões de massa pequenas podem ser entendidos através de um potencial do tipo Coulomb a curtas distâncias (onde o estado fundamental está localizado) que aparece quando utilizamos uma aproximação de Born-Oppenheimer. Para grandes razões de massa os dois estados ligados restantes são consistentes com uma estrutura de três corpos mais simétrica. Nós encontramos que no limiar da razão de massas em que os estados desaparecem os raios divergem linearmente com as energias de três corpos escritas em relação ao limiar de dois corpos. / This work is focused in the study of two dimensional few-body physics in the universal regime, where the properties of the quantum system are independent on the details of the short-range interaction between particles (the two-body scatter- ing length is much larger than the range of the potential). We used the Faddeev decomposition to write the bound-state equations and we calculated the three-body binding energies and root-mean-square (rms) radii for a three-body system in two dimensions compounded by two identical bosons (A) and a different particle (B). For mass ratio mB/mA = 0.01 the system displays eight three-body bound states, which disappear one by one as the mass ratio is increased leaving only the ground and the first excited states. Energies and radii of the states for small mass ratios can be understood quantitatively through the Coulomb-like Born-Oppenheimer potential at small distances where the lowest-lying of these states are located. For large mass ratio the radii of the two remaining bound states are consistent with a more sym- metric three-body structure. We found that the radii diverge linearly at the mass ratio threshold where the three-body excited states disappear. The divergences are linear in the inverse energy deviations from the corresponding two-body thresholds. / MEC: 243164-72 / MEC: 243745-72

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.

Neste trabalho estudamos a aplicabilidade dos conceitos de autoconsistência de R. Hagedorn e de não-extensividade de acordo com a estatística de Tsallis. Estes dois conceitos podem ser associados de acordo com a teoria autoconsistente não-extensiva. A análise dos dados de distribuição de momento tranversal e do espectro de massa de hádrons permite testar a aplicabilidade desses conceitos, e neste trabalho desenvolvemos esta análise para dados obtidos em colisões pp em energias ultrarelativísticas. Os resultados obtidos nessas análises confirmam a idéia de Hagedorn da existência de uma temperatura limite para sistemas hadrônicos e também é observado uma ótima descrição do espectro de massa hadrônico pela da TACNE. Parte dos resultados deste trabalho está publicada na Physical Review D 87, 114022 (2013). / In this work, we study the applicability of the concepts of self-consistency by R. Hagedorn and non-exntensivity according to the Tsallis statistic. These two concepts can be associeted in accordance with the self-consistency non-extensive theory. The analysis of distribution data of transverse momentum and mass spectrum allows hadron test applicability of these concepts, and in this work we developed this analysis for data obtained from pp collisions at ultrarelativistic energies. The results of these analysis support the ideia of the existence of a Hagedorns temperature threshold for hadronic systems and a very good description of the hadroic mass spectrum by the self-consistency non-extensive theory is also verified. Part of this work is published in Physical Review D 87, 114022 (2013).

Neste trabalho estudamos a aplicabilidade dos conceitos de autoconsistência de R. Hagedorn e de não-extensividade de acordo com a estatística de Tsallis. Estes dois conceitos podem ser associados de acordo com a teoria autoconsistente não-extensiva. A análise dos dados de distribuição de momento tranversal e do espectro de massa de hádrons permite testar a aplicabilidade desses conceitos, e neste trabalho desenvolvemos esta análise para dados obtidos em colisões pp em energias ultrarelativísticas. Os resultados obtidos nessas análises confirmam a idéia de Hagedorn da existência de uma temperatura limite para sistemas hadrônicos e também é observado uma ótima descrição do espectro de massa hadrônico pela da TACNE. Parte dos resultados deste trabalho está publicada na Physical Review D 87, 114022 (2013). / In this work, we study the applicability of the concepts of self-consistency by R. Hagedorn and non-exntensivity according to the Tsallis statistic. These two concepts can be associeted in accordance with the self-consistency non-extensive theory. The analysis of distribution data of transverse momentum and mass spectrum allows hadron test applicability of these concepts, and in this work we developed this analysis for data obtained from pp collisions at ultrarelativistic energies. The results of these analysis support the ideia of the existence of a Hagedorns temperature threshold for hadronic systems and a very good description of the hadroic mass spectrum by the self-consistency non-extensive theory is also verified. Part of this work is published in Physical Review D 87, 114022 (2013).

Path integral Monte Carlo (PIMC) is a method suitable for quantum liquid simulations at finite temperature. We present in this thesis a study of PIMC dealing with the theory and algorithms related to it, and then two applications of PIMC to current research problems of quantum fluids in the Bolzmann regime. The first part encompasses a study of the different ingredients of a PIMC code: action, sampling and physical property estimators. Particular attention has been paid to Li-Broughton's higher order approximation to the action. Regarding sampling, several collective movement methods have been derived, including the bisection algorithm, that has been thoroughly tested. We also include a study of estimators for different physical properties, such as, the energy (through the thermodynamic and virial estimators), the pair distribution function, the structure factor, and the momentum distribution. In relation to the momentum distribution, we have developed a novel algorithm for its estimation, the trail method. It surmounts some of the problems exposed by previous approaches, such as the open chain method or McMillan's algorithm.The Richardson extrapolation used within PIMC simulations, is another contribution of this thesis. Up until now, this extrapolation has not been used in this context. We present studies of the energy dependence on the number of "beads", along with the betterment provide by the Richardson extrapolation. Inasmuch as our goal is to perform research of quantum liquids at finite temperature, we have produced a library of codes, written from scratch, that implement most of the features theoretically developed. The most elaborated parts of these codes are included in some of the appendixes.The second part shows two different applications of the algorithms coded. We present results of a PIMC calculation of the momentum distribution of Ne and normal 4He at low temperatures. In the range of temperatures analysed, exchanges can be disregarded and both systems are considered Boltzmann quantum liquids. Their quantum character is well reflected in their momentum distributions witch show clear departures from the classical limit. The PIMC momentum distributions which show clear departures from the classical limit. The PIMC momentum distributions are sampled using the trail method. Kinetic energies of both systems, as a function of temperature and at a fixed density, are also reported. Finally, the solid-liquid neon phase transition along the 35 K isotherm has been characterized.While thermodynamic properties of the solid phase are well known the behaviour of some properties, such as the energy or the dessity, during the trasition presen6 some uncertainties For example, experimental data for the place diagram, which determines solid and liquid boundaries, present sizeable differences. The temperature chosen is high enough so that Bose or Fermi statistics corrections are small, although the system is strongly quantum mechanical. The results obtained show a discontinuity in the kinetic energy during the transition.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:07:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Thiago Milograno.pdf: 1110506 bytes, checksum: 08596b9630b30f983f7a8e9f0777f92d (MD5) Previous issue date: 2009-02-20 / In this work we have applied Quantum Monte Carlo method at finite temperature known as Path Integral Monte Carlo (PIMC) to study the quantum-classical behavior of the Neon. We have calculated the one body density matrix as well as the atomic momentum distribution which have shown to be significantly different from the classical Maxwell- Boltzmman distribution in the range of densities and temperatures studied. The deviations from a classical gaussian are substantial but it decreases as one goes to temperatures above T = 35 K or densities below p = 20 nm−3. Furthermore, at low temperature the results show that there are more low momentum atoms than in a classical gaussian distribution. / Neste trabalho aplicamos o método de Monte Carlo Quântico à temperatura finita conhecido como Path Integral Monte Carlo (PIMC) a fim de estudar o comportamento quântico-clássico do Neônio. Calculamos a matriz densidade de um corpo, bem como a distribuição de momento atômica que mostrou ser significativamente diferente da distribuição clássica de Maxwell-Boltzmann nos intervalos de densidade e temperatura estudados. Os desvios de uma gaussiana clássica são substanciais porém esses desvios diminuem para temperaturas acima de T = 35 K ou densidades abaixo de p= 20 nm−3. Além disso, para baixas temperaturas os resultados mostram que há mais átomos com momentos menores do que na distribuição clássica gaussiana.

Nous présentons dans ce manuscrit des mesures de corrélations spatiales à un et deux corps effectuées sur un gaz de bosons unidimensionnel et ultra-froid piégé à la surface d'une microstructure. Les corrélations à deux corps sont mises en évidence par des mesures de fluctuations de densité in situ ; les corrélations à un corps sont sondées grâce à des mesures de distributions en impulsion. Nous avons observé des fluctuations de densité sub-poissoniennes dans le régime d'interactions faibles, mettant ainsi en évidence pour la première fois le sous-régime du régime de quasi-condensat dans lequel la fonction de corrélation à deux corps est dominée par les fluctuations quantiques. Nous avons également observé des fluctuations sub-poissoniennes quelle que soit la densité dans le régime d'interactions fortes ; notre mesure constitue la première observation d'un unique gaz de bosons unidimensionnel dans ce régime. Le piège magnétique que nous avons utilisé est un piège modulé qui possède la propriété remarquable de découplage entre confinements transverse et longitudinal. Cette spécificité nous a permis de façonner à volonté la forme du confinement longitudinal. En particulier, nous avons pu obtenir des pièges harmoniques et quartiques. Nous avons également utilisé les propriétés de ce piège modulé afin de réaliser une lentille magnétique longitudinale. Cette technique nous a permis de mesurer la distribution en impulsion du gaz, dans le régime d'interactions faibles. Nous présentons deux résultats, obtenus de part et d'autre de la transition molle entre les régimes de gaz de Bose idéal et de quasi-condensat. Sur le plan théorique, nous montrons qu'une théorie de champ classique ne suffit pas à décrire quantitativement cette transition molle pour les paramètres typiques de l'expérience. Nous avons donc recours à des calculs Monte-Carlo quantiques. La température extraite de l'ajustement de nos donnée par ces calculs est en bon accord avec celle obtenue en ajustant les fluctuations de densité in situ avec la thermodynamique de C. N. Yang et C. P. Yang. Enfin, nous démontrons une méthode de compensation de la gravité (piégeage harmonique résiduel) lors de la phase de lentille magnétique, qui nous permet d'améliorer considérablement la résolution en impulsion de cette technique. / In this manuscript, we present spatial one and two-body correlation measurements performed on a one-dimensional gas of ultra-cold bosons trapped at the surface of a microstructure. Two body correlations are highlighted by measurements of in situ density fluctuations and one-body correlations are probed through measurements of momentum distributions.We observed sub-Poissonian density fluctuations in the regime of weak interactions, thus demonstrating for the first time the regime of quasi-condensate in which the two-body correlation function is dominated by quantum fluctuations. We also observed sub-Poissonian fluctuations regardless of the density in the regime of strong interactions. Our measurement is the first observation of a single one-dimensional gas of bosons in this regime.The magnetic trap that we used is a modulated trap that has the remarkable property of decoupling between transverse and longitudinal confinements. This specificity has enabled us to engineer at will the shape of the longitudinal confinement. In particular, we were able to obtain harmonic and quartic traps.