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.

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.

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.

In this work we study a Bose-Einstein condensate of 87Rb under the effects of an oscillatory excitation. The condensate is produced through forced evaporative cooling by radio-frequency in a harmonic magnetic trap. The excitation is generated by an oscillatory quadrupole field superimposed on the trapping potential. For a fixed value of the frequency of the excitation we observe the production of different regimes in the condensate as a function of two parameters of the excitation: the time and the amplitude. For the lowest values of these parameters we observe a bending of the main axis of the condensate. This demonstrates that the excitation is able to transfer angular momentum into the sample. By increasing the time or the amplitude of the excitation we observe the nucleation of an increasing number of quantized vortices. If the value of the parameters of the excitation is increased even further the vortices evolve into a different regime which we have identified as quantum turbulence. In this regime, the vortices are tangled among each other, generating a highly irregular array. For the highest values of the excitation the condensate breaks into pieces surrounded by a thermal cloud. This constitutes a different regime which we have identified as granulation. We present numerical simulations together with other theoretical considerations which allow us to interpret our observations. In this thesis we also describe the construction of a second experimental setup whose objective is to study magnetic properties of a Bose-Einstein condensate of 87Rb. In this new system the condensate is produced in a hybrid trap which combines a magnetic trap with an optical dipole trap. Bose-Einstein condensation has been already achieved in the new apparatus; experiments will be performed in the near future. / Neste trabalho, estudamos um condensado de Bose-Einstein de átomos de 87Rb sob os efeitos de uma excitação oscilatória. O condensado é produzido por meio de resfriamento evaporativo por radiofreqüência em uma armadilha magnética harmônica. A excitação é gerada por um campo quadrupolar oscilatório sobreposto ao potencial de aprisionamento. Para um valor fixo da freqüência de excitação, observamos a produção de diferentes regimes no condensado como função de dois parâmetros da excitação, a saber, o tempo e a amplitude. Para os valores mais baixos destes parâmetros observamos a inclinação do eixo principal do condensado, isto demonstra que a excitação transfere momento angular à amostra. Ao aumentar o tempo ou a amplitude da excitação observamos a nucleação de um número crescente de vórtices quantizados. Se incrementarmos ainda mais o valor dos parâmetros da excitação, os vórtices evoluem para um novo regime que identificamos como turbulência quântica. Neste regime, os vórtices se encontram emaranhados entre si, dando origem a um arranjo altamente irregular. Para os valores mais altos da excitação o condensado se quebra em pedaços rodeados por uma nuvem térmica. Isto constitui um novo regime que identificamos como a granulação do condensado. Apresentamos simulações numéricas junto com outras considerações teóricas que nos permitem interpretar as nossas observações. Nesta tese, apresentamos ainda a descrição da montagem de um segundo sistema experimental cujo objetivo é o de estudar propriedades magnéticas de um condensado de Bose-Einstein de 87Rb. Neste novo sistema o condensado é produzido em uma armadilha híbrida composta por uma armadilha magnética junto com uma armadilha óptica de dipolo. A condensação de Bose-Einstein foi já observada neste novo sistema, os experimentos serão realizados no futuro próximo.

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.

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.

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 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.