Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. Programa de Pós-Graduação em Física. / Made available in DSpace on 2012-10-20T23:05:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 190365.pdf: 725352 bytes, checksum: b5c603d986ec5da5e40b3c8766da58d6 (MD5) / O modo tesoura foi objeto de estudo em vários sistemas de muitos corpos e recentemente em condensados de Bose-Einstein para demonstrar as propriedades de superfluido nesse sistema, devido às diferenças entre os casos de temperatura zero e finita.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T02:11:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 294528.pdf: 5676518 bytes, checksum: 2baad3fd029a2960bc6831f6c13e7524 (MD5) / Avanços recentes na área experimental de armadilhamento de bósons, levaram à obtenção de redes de poços de potenciais, e ou potências múltiplos onde condensados bosônicos podem ser aprisionados e interagem entre si através do tunelamento. A dinâmica deste conjunto de condensados tem sido muito investigada devido a uma grande quantidade de fenômenos envolvidos. O auto-armadilhamento quântico acroscópico (MQST - macroscopic quantum self trapping) associados a uma possível quebra de simetria espontânea do sistema; Tunelamento macroscópico gerando oscilaçoes de Bose-Josephson similares ao efeito Josephson em supercondutores, são alguns dos fenômenos quânticos macroscópico observados. Partindo de um modelo analítico generalizado de três modos dado por uma densidade hamiltoniana, obtemos um modelo que descreve a dinâmica semiclássica de condensado em poço triplo. O termo generalizado indica que este modelo pode ser aplicamo tanto para poços triplos (trimers) quanto para três níveis (spinores). O modelo semiclássico foi obtido por meio de uma transformação de estados coerentes baseado nos operadores do grupo su(3) seguido de uma transformação canônica para redução de variáveis. O principal propósito é realizar um estudo sistemático da dinâmica semiclássica do sistema com relação aos parâmetros de interação, inter-conversão e condiçoes iniciais, para avaliar e classificar os diferentes modos coletivos gerados. Ao alinhar o modelo com o sistema físico de interesse, o poço triplo em linha, conseguimos uma reduçao dos seis termos de interação e três inter-conversão para um único parâmetro de estudo, o qual é uma razão entre um parâmetro de interação com um parâmetro de inter-conversão chamado de parâmetro de controle. Agora para o estudo sistemático temos dois parâmetros de estudo: A razão interação-interconversão e as condições iniciais. Assim, poderemos analisar os efeitos das condições iniciais bem como os feitos das interações na dinâmica de ocupação entre poços, ou seja, os modos coletivos deste sistema. Iremos observar, que neste sistema, haverá modos bem comportados, ou seja, que não se tornam caóticos com modificação do parâmetro de controle, para as condições iniciais fixas. Veremos também que o sistema pode apresentar também um valor crítico de interação para o qual o sistema apresentará MQST. Em nossos estudos, sempre temos dois poços com ocupaçõoes iniciais iguais, isso induzirá o sistema a uma dinâmica populacional a qual tende a um comportamento similar ao de um poço duplo, quando os termos não lineares se sobressaem aos termos de interconversão. Durante a classificação dos modos coletivos, identificou-se um destes é equivalente ao comportamento de um poço duplo para quaisquer valores do parâmetro de controle. Estes modos são chamados na literatura de modos gêmeos (Twin modes). Após o estudo realizar um estudo sistemático para compreender o comportamento do sistema, passamos a analisar a dinâmica do sistema na presença de campos externos dependentes do tempo. O campo externo será introduzido no modelo por meio de uma variação temporal do parâmetro de controle, ou termos de interconversão, viabilizando assim, a troca entre modos de oscilação, bem como realizando o controle populacional. A variação temporal para o termo de interação tem a forma de um pulso step, que elevará o valor inicial da interação e depois de decorrido um tempo a interação voltará ao valor inicial. Este método nos auxiliará na mudança de modos de vibração, bem como no controle populacional, e ainda aprisionará temporariamente o sistema. O aprisionamento temporário, bem como a inversão de população, só foi possível devido ao estudo sistemático, pois foi neste ponto que identificamos os melhores modos a serem utilizados para aplicar o campo externo. Esta chamada inversão de população é um fenômeno idêntico ao STIRAP (Stimulated Rapid Adiabatic Passage), só que ao invés de Gaussianos usamos um pulso quadrado. Ao comparar o tempo entre os dois pulsos Gaussianos consecutivos, notamos que quando o tempo entre os picos destes pulsos é igual ao tempo que o pulso quadrado permanece ligado. Porém o tempo de pulso ligado é obtido tomando o inverso da frequência natural de oscilação, sendo esta obtida via transformada rápida de Fourier. Notamos que o efeito de STIRAP é mais eficiente quando o tempo entre os picos é da ordem do período de oscilação natural do modo. / Recent advances in experimental area of trapping of bosons, led to obtain networks of potential wells, where bosonic condensates can be trapped and interact with each other by tunneling. The dynamics of this set of condensates has been investigated on a very large number of phenomena involved. The macroscopic quantum self-trapping (MQST) associated with a possible spontaneous symmetry breaking of the system, macroscopic tunneling generating Bose-Josephson oscillations similar to the Josephson effect in superconductors, are some of macroscopic quantum phenomena observed. From a generalized analytical model of three modes generated from a Hamiltonian density, we obtain a model that describes the semiclassical dynamics of condensate in triple well. The semiclassical model was obtained through a transformation of coherent states based on the operators of the group su(3) followed by a canonical transformation to reduce variables. The main purpose is to perform a systematic study of the semiclassical dynamics of the system with respect to the parameters of interaction, inter-conversion and initial conditions, to evaluate and classify the different collective modes generated. Aligning the model with the physical system of interest, the triple well online, we achieved a reduction of the six interaction terms and three inter-conversion to a single parameter of the study, which is a ratio of an interaction parameter with a parameter inter-conversion called the control parameter. Now for the systematic study we have studied two parameters: The reason interconversion-interaction and the initial conditions. Thus, we analyze the effects of the initial conditions as well as the interactions in the dynamic occupation between wells, the collective modes of this system. We observe that this have non chaotic modes, which do not become chaotic with modification of the control parameter for the fixed initial conditions. We will verify that the system can also present a critical value of interaction for which the system will present MQST. In our studies, we always have two wells with initial equal occupations; it will induce the system to a population dynamic which tends to a behavior similar to a double well. After the systematic study, we analyze the dynamics of the system in the presence of time-dependent external fields. The outfield will be introduced in the model by means of a temporal variation of the control parameter, or terms of interconversion, thereby allowing switching between modes of oscillation, as well as performing the population control. The temporal variation for the interaction term has the form of a step pulse, which will raise the initial value of the interaction and after a time the interactions returns to baseline. This method will help us in changing modes of vibration, as well as population control, and even imprison the system temporarily. The temporary imprisonment, and the population inversion, was only possible due to the systematic study, it was at this point we identify the best ways to be used for applying the external field. This so-called population inversion is a phenomenon similar to STIRAP (Stimulated Rapid Adiabatic Passage), but instead of a Gaussian it uses a square pulse. By comparing the time between two consecutive Gaussian pulses, we note that when the time between the peaks of these pulses is equal to the time that remains on the square pulse. But the pulse time is obtained by taking the inverse of the natural frequency of oscillation, which is obtained via fast Fourier transform. We note that the effect of STIRAP is most effective when the time between peaks is of the order of the period of natural oscillation of the mode.

Neste trabalho de mestrado é estudada a estabilidade de vórtices em condensados de Bose-Einstein com interação atrativa entre os átomos através da solução numérica da equação de Gross-Pitaevskii. Inicialmente são reproduzidos resultados da literatura, nos quais são estudados vórtices em condensados bidimensionais atrativos com potencial interatômico homogêneo em todo o condensado. A estabilidade de tais sistemas é inferida através da solução numérica das equações de Bogoliubov-de Gennes e da evolução temporal dos vórtices. Demonstra-se que esses vórtices são estáveis, até um certo número crítico de átomos, apenas para valores de vorticidade S=1. Em seguida foi proposto um modelo no qual a interação entre os átomos é espacialmente modulada. Neste caso é possível demonstrar que vórtices com valores de vorticidade de até S=6, pelo menos, são estáveis. Finalmente é estudada a estabilidade de vórtices em condensados tridimensionais atrativos, novamente com potencial interatômico homogêneo em todo o condensado. Assim como no caso bidimensional mostra-se que tais vórtices são estáveis para valores de vorticidade de S=1. Espera-se em breve estudar a estabilidade de vórtices em condesados tridimensionais com potencial de interação espacialmente modulado. / In this work we study the stability of vortices in attractive Bose-Einstein condensates by solving numerically the Gross-Pitaevskii equation. Initially we reproduce some results from the literature, in which vortices in two-dimensional attractive Bose-Einstein condensates with homogeneous interatomic potential are studied. The stability of these systems is determined by solving numerically the Bogoliubov-de Gennes equations and by studying the time evolution of these vortices. We demonstrate that these vortices are stable, up to a certain critical number of atoms, just for the value of vorticity S=1. After we propose a model in which the interatomic interaction are spatially modulated. In this case it is possible to verify that vortices with values of vorticity up to S=6 , at least, are stable. Finally, we study the stability of vortices in three-dimensional attractive condensates, again with a homogeneous interatomic potential. As in the two-dimensional case, we show that vortices in these systems are stable to values of vorticity S=1. The next step in this work is study the stability of vortices in three-dimensional condensates with spatially modulated interatomic interaction.

DANTAS, D. S. Emergent vortex behavior in superconductors and superfluids with single and multicomponent quantum condensates. 2017. 158 f. Tese (Doutorado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017. / Submitted by Pós-Graduação em Física (posgrad@fisica.ufc.br) on 2017-09-14T17:26:18Z No. of bitstreams: 1 2017_tese_dsdantas.pdf: 11683921 bytes, checksum: 27c23b891c2fde93c28af2c57352c1d7 (MD5) / Approved for entry into archive by Giordana Silva (giordana.nascimento@gmail.com) on 2017-09-15T22:10:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_tese_dsdantas.pdf: 11683921 bytes, checksum: 27c23b891c2fde93c28af2c57352c1d7 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-15T22:10:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_tese_dsdantas.pdf: 11683921 bytes, checksum: 27c23b891c2fde93c28af2c57352c1d7 (MD5) Previous issue date: 2017 / Using a self-devised numerical approach, we developed a powerful tool to investigate vortex properties and interactions in mean-field theories for superconductors and superfluids, based on fixing the vortex phase distribution in the energy minimization process. The method was applied to (i) multi-component Bose-Einstein condensates (BECs) and (ii) superconductors with single- or multi-component superconducting condensates. In these systems, vortex-vortex interaction and other key vortex features are analytically described only in specific regimes, that do not account for a large part of vortex behavior observed experimentally. In multi-component BECs, for example, the vortex-vortex interaction is only known for inter-vortex distances much greater than the healing length, i.e. far from the vortex core. Under our approach, by assuming multi-vortex structures, within Gross- Pitaevskii theory, we report the vortex-vortex interaction in the full range of distances, capturing the mechanism behind unusual vortex conformations previously reported in literature, such as bound clusters with two or three vortices. Usually, these clusters emerge from a competition between intra- and inter-component vortex interaction, but we demonstrate they can also emerge from the phase-frustration between the components. In superconductors, the description of vortex-vortex interaction is usually restricted to bulk or very thin films, and most of the key vortex features, such as the spatial magnetic field and current density profiles, are known only in the limit of London theory, i.e. for coherence length negligible as compared to magnetic field penetration depth and other system dimensions. The parametric range outside this limit is actually relevant to many materials. We fill that gap by applying our method to Ginzburg-Landau theory. The vortex structure is investigated for single- and two-gap bulk superconductors, outside the London regime. This enables us to extend analytical expressions describing the condensate and magnetic profiles around the vortex available in literature by numerical calculations and suitable fitting functions. We expand our approach to account for films with finite thickness, to connect our findings to both bulk and Pearl’s description by adjusting the sample thickness. This also allowed us to describe how vortex configurations change for samples with intermediate thickness, where we observe the effective magnetic response of the superconductor changing between the textbook type-1 and type-2 behaviors, in a nontrivial manner, governed by the non-monotonic vortex interaction. As a result of a detailed analysis, we propose new critical parameters to define the crossover between different regimes and establish their relation with the superconducting critical fields. / Usando uma abordagem numérica própria, desenvolvemos uma ferramenta poderosa para investigar propriedades e interações de vórtices na teoria do campo médio para supercondutores e superfluidos, baseada na fixação da distribuição de fase dos vórtices no processo de minimização da energia. O método foi aplicado a (i) condensados de Bose-Einstein (BECs) com múltiplas componentes e (ii) supercondutores com um ou mais condensados que super-conduzem. Nesses sistemas, a interação vórtice-vórtice e outras características chaves são analiticamente descritas apenas em regimes específicos, que não descrevem grande parte do comportamento dos vórtices observados experimentalmente. Em condensados de Bose-Einstein com múltiplas componentes, por exemplo, a interação vórtice-vórtice é conhecida apenas para distâncias muito maiores que o comprimento de coerência, i.e. longe do centro do vórtice. Sob nossa abordagem, assumindo estruturas com múltiplos vórtices, dentro da teoria de Gross-Pitaevskii, nós reportamos a interação entre vórtices em todo o domínio de distâncias, capturando o mecanismo por trás de conformações de vórtices não usuais previamente reportadas na literatura, como aglomerados ligados com dois ou três vórtices. Sabe-se que, geralmente, esses aglomerados emergem da competição entre interações de vórtices intra-componentes com interações inter-componentes, no entanto, nós demonstramos que essas também podem emergir da frustração de fase entre as componentes. Em supercondutores, a descrição da interação entre vórtices é geralmente restrita a materiais na forma bulk ou em filmes finos, e a maior parte das características chaves dos vórtices, tais como os perfis espaciais do campo magnético e da densidade de corrente, são conhecidos apenas no limite da teoria de London, i.e. para comprimentos de coerência insignificantes quando comparados ao comprimento de penetração e outras dimensões do sistema. O alcance paramétrico fora desse limite é na verdade relevante para muitos materiais. Nós preenchemos essa lacuna ao aplicar nosso método à teoria de Ginzburg- Landau. A estrutura dos vórtices é investigada para supercondutores do tipo bulk com uma e duas componentes fora do regime de London. Isso nos permitiu estender expressões analíticas da literatura que descreviam os perfis do condensado e do campo magnético em torno do vórtice através de cálculos numéricos e realização de fittings com funções apropriadas. Expandimos nossa abordagem para filmes com espessura finita, a fim de conectar nossos achados a ambas as descrições do tipo bulk e de Pearl, através de ajustes da espessura da amostra. Isso também nos permitiu descrever como as configurações de vórtices mudam para amostras com espessura intermediária, onde observamos a resposta magnética efetiva alterando entre os comportamentos de tipo-1 e tipo-2 de forma não trivial, levando a uma interação não monotônica entre vórtices. Como resultado de uma análise detalhada, nós propomos novos parâmetros críticos para definir a transição entre os diferentes regimes supercondutores e estabelecer suas relações com os campos críticos do supercondutor usual.

ALBUQUERQUE, R. M. Obtenção de portas lógicas quânticas em condensados de bose - Einstein. 2017. 77 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e da Computação) - Campus de Sobral, Universidade Federal do Ceará, Sobral, 2017. / Submitted by Programa de Pós-Graduação Engenharia Elétrica e de Computação (secretaria_ppgeec@sobral.ufc.br) on 2017-10-31T21:38:15Z No. of bitstreams: 1 2016_dis_rmdealbuquerque.pdf: 2544760 bytes, checksum: f4f3c8e0b7dd85d6b593e5bfc7b367eb (MD5) / Approved for entry into archive by Djeanne Costa (djeannecosta@gmail.com) on 2017-11-01T12:09:26Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_dis_rmdealbuquerque.pdf: 2544760 bytes, checksum: f4f3c8e0b7dd85d6b593e5bfc7b367eb (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-01T12:09:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_dis_rmdealbuquerque.pdf: 2544760 bytes, checksum: f4f3c8e0b7dd85d6b593e5bfc7b367eb (MD5) Previous issue date: 2017-10 / Bose-Einstein condensate (BEC) coupled is a promising candidate to quantum computing. Being a macroscopic quantum phenomenon, Being a strong quantum system (BÖIH et al., 2009), its assembly and experimental control inside an atomic chip (HÄNSEL et al.,2001), further the optical networks (GREINER OLAF MANDEL, 2001), where it is found and manipulated in different network sites, assuring implementation conditions of Quantum Information Protocol. The definition of a Qubit in BECs was proposed considering the couple of two BEC’s in different hyperfine states throught a two-photon transition. We have identified each one of the condensates in their respective hyperfine levels like the states and the Qubit. Experimentally, it is possible both the identification of atoms that ate in each one of the hyperfine levels and the measurement of the condensate phase. With these information is possible to determine the superposition coefficients . In this coursework, we have studied the dynamics of two Bose-Einstein condensate (BEC) on its fundamental state, trapped and coupled by a quantum tunneling. Because of this coupling, there is population transference between two condensed modes. The coupling is adjusted in a way we have probability of occupation in two levels. We have shown that this system can be considerate viable to a Qubit. So, we have simulated the quantum gates NOT and Hadamard. / Condensados de Bose-Einstein (CBE) acoplados é candidato promissor à computação quântica. Por ser um fenômeno quântico macroscópico, por ser um sistema quântico robusto (BÖHI et al., 2009), por sua montagem e controle experimental dentro de um chip atômico (HÄNSEL et al., 2001), além das construções em redes ópticas (GREINER OLAF MANDEL, 2001), onde são localizados e manipulados em diferentes sítios da rede, garantindo condições de implementação de protocolos de Informação Quântica. A definição de um q-bit em CBEs foi proposta considerando o acoplamento de dois CBEs em diferentes estados hiperfinos através de uma transição de dois fótons. Identificamos cada um dos condensados nos seus respectivos níveis hiperfinos como os estados j0i e j1i do q-bit. Experimentalmente, é possível tanto a identificação dos átomos que estão em cada um dos níveis hiperfinos quanto a medição da fase dos condensados. Com estas informações é possível determinar os coeficientes de superposição a j0i+b j1i. No presente trabalho, estudamos a dinâmica de dois condensados de Bose - Eisntein (CBE) no estado fundamental, armadilhados e acoplados por tunelamento quântico. Devido a esse acoplamento, há transferência de população entre os dois modos condensados. O acoplamento é ajustado de maneira que tenhamos probabilidade de ocupação em dois níveis. Demonstramos que este sistema pode ser considerado viável a um q-bit. Então, simulamos as portas quânticas NOT e Hadamard.

Neste trabalho de mestrado é estudada a estabilidade de vórtices em condensados de Bose-Einstein com interação atrativa entre os átomos através da solução numérica da equação de Gross-Pitaevskii. Inicialmente são reproduzidos resultados da literatura, nos quais são estudados vórtices em condensados bidimensionais atrativos com potencial interatômico homogêneo em todo o condensado. A estabilidade de tais sistemas é inferida através da solução numérica das equações de Bogoliubov-de Gennes e da evolução temporal dos vórtices. Demonstra-se que esses vórtices são estáveis, até um certo número crítico de átomos, apenas para valores de vorticidade S=1. Em seguida foi proposto um modelo no qual a interação entre os átomos é espacialmente modulada. Neste caso é possível demonstrar que vórtices com valores de vorticidade de até S=6, pelo menos, são estáveis. Finalmente é estudada a estabilidade de vórtices em condensados tridimensionais atrativos, novamente com potencial interatômico homogêneo em todo o condensado. Assim como no caso bidimensional mostra-se que tais vórtices são estáveis para valores de vorticidade de S=1. Espera-se em breve estudar a estabilidade de vórtices em condesados tridimensionais com potencial de interação espacialmente modulado. / In this work we study the stability of vortices in attractive Bose-Einstein condensates by solving numerically the Gross-Pitaevskii equation. Initially we reproduce some results from the literature, in which vortices in two-dimensional attractive Bose-Einstein condensates with homogeneous interatomic potential are studied. The stability of these systems is determined by solving numerically the Bogoliubov-de Gennes equations and by studying the time evolution of these vortices. We demonstrate that these vortices are stable, up to a certain critical number of atoms, just for the value of vorticity S=1. After we propose a model in which the interatomic interaction are spatially modulated. In this case it is possible to verify that vortices with values of vorticity up to S=6 , at least, are stable. Finally, we study the stability of vortices in three-dimensional attractive condensates, again with a homogeneous interatomic potential. As in the two-dimensional case, we show that vortices in these systems are stable to values of vorticity S=1. The next step in this work is study the stability of vortices in three-dimensional condensates with spatially modulated interatomic interaction.

Utilizamos o modelo de Bose-Hubbard para estudar as estabilidades dinâmica e termodinâmica dos condensados numa rede óptica periódica circular. O nosso principal objetivo foi investigar a existência de condensados metaestáveis no sistema. Deduzimos e resolvemos a equação de Gross-Pitaevskii e, a partir da análise das soluções, foi possível mostrar que o sistema se condensa em estados com momento modular bem definido. Esses estados formam uma base que diagonaliza o termo que descreve o tunelamento atômico no hamiltoniano de Bose-Hubbard. No contexto da teoria de Bogoliubov deduzimos para cada condensado, o hamiltoniano efetivo cuja diagonalização determina o espectro das excitações coletivas do sistema. Identificamos corretamente o modo de energia zero, conseqüência da violação da conservação do número de átomos, e verificamos que este possui momento modular igual ao do condensado. No estudo da estabilidade vimos que todos os condensados com momento modular nos 2º e 3º quadrantes são termodinamicamente instáveis e as respectivas condições de estabilidade dinâmica dependem dos parâmetros de controle do sistema. Por outro lado os condensados com momento modular nos 1º e 4º quadrantes são todos dinamicamente estáveis enquanto que, nesse caso, é a estabilidade termodinâmica que depende dos parâmetros de controle do sistema. Nessa análise verificamos que o condensado com momento modular zero, que corresponde ao mínimo global da energia, é sempre estável. Determinamos exatamente o intervalo nos parâmetros de controle a partir do qual podemos encontrar condensados metaestáveis no sistema. Examinamos como a competição entre as intensidades dos termos de tunelamento e repulsão local afeta a estabilidade dos condensados. Essa competição define dois regimes distintos: Rabi, onde a coerência entre estados localizados nos sítios é mantida, e Fock, onde não há mais essa coerência e a aplicabilidade da aproximação de Bogoliubov é questionável. / We use the Bose-Hubbard model to study the dynamical and thermodynamical stabilities of condensates in a circular periodic optical lattice. Our main goal was to investigate the existence of metastable condensates in the system. We derive and solve the Gross-Pitaevskii equation, and from the analysis of the solutions it was possible to show that the system condenses in states with well-defined modular momentum. These states constitute a basis that diagonalizes the term of the Bose-Hubbard Hamiltonian which describes the dynamics of atomic tunneling. In the framework of Bogoliubov theory we determine, for each condensate, the effective Hamiltonian whose diagonalization give us the collective excitation spectrum of the system. We show that the mode associated to a zero eigenvalue, which is a consequence of the violation of atoms number conservation, has the same modular momentum of the condensate. The condensates with modular momentum in the 2nd and 3rd quadrants are all thermodynamically unstable whereas the dynamical stability depends on the control parameters. On the other hand, the condensates with modular momentum in the 1st and 4th quadrants are all dynamically stable whereas the thermodynamical stability depends on the control parameters. Our analysis shows that the condensate with modular momentum zero, which corresponds to a global minimum of energy, is always stable independently of the control parameters. We determine, exactly, the range on the control parameters where it is possible to detect metastability in the system. We have studied how the competition between the intensities of the tunneling and local interaction terms affects the stability of the condensates. This competition defines two distinct regimes: Rabi, where the coherence between states localized in the sites is achieved, and Fock, where this coherence is not achieved and the validity of Bogoliubov approximation is questionable.

Utilizamos o modelo de Bose-Hubbard para estudar as estabilidades dinâmica e termodinâmica dos condensados numa rede óptica periódica circular. O nosso principal objetivo foi investigar a existência de condensados metaestáveis no sistema. Deduzimos e resolvemos a equação de Gross-Pitaevskii e, a partir da análise das soluções, foi possível mostrar que o sistema se condensa em estados com momento modular bem definido. Esses estados formam uma base que diagonaliza o termo que descreve o tunelamento atômico no hamiltoniano de Bose-Hubbard. No contexto da teoria de Bogoliubov deduzimos para cada condensado, o hamiltoniano efetivo cuja diagonalização determina o espectro das excitações coletivas do sistema. Identificamos corretamente o modo de energia zero, conseqüência da violação da conservação do número de átomos, e verificamos que este possui momento modular igual ao do condensado. No estudo da estabilidade vimos que todos os condensados com momento modular nos 2º e 3º quadrantes são termodinamicamente instáveis e as respectivas condições de estabilidade dinâmica dependem dos parâmetros de controle do sistema. Por outro lado os condensados com momento modular nos 1º e 4º quadrantes são todos dinamicamente estáveis enquanto que, nesse caso, é a estabilidade termodinâmica que depende dos parâmetros de controle do sistema. Nessa análise verificamos que o condensado com momento modular zero, que corresponde ao mínimo global da energia, é sempre estável. Determinamos exatamente o intervalo nos parâmetros de controle a partir do qual podemos encontrar condensados metaestáveis no sistema. Examinamos como a competição entre as intensidades dos termos de tunelamento e repulsão local afeta a estabilidade dos condensados. Essa competição define dois regimes distintos: Rabi, onde a coerência entre estados localizados nos sítios é mantida, e Fock, onde não há mais essa coerência e a aplicabilidade da aproximação de Bogoliubov é questionável. / We use the Bose-Hubbard model to study the dynamical and thermodynamical stabilities of condensates in a circular periodic optical lattice. Our main goal was to investigate the existence of metastable condensates in the system. We derive and solve the Gross-Pitaevskii equation, and from the analysis of the solutions it was possible to show that the system condenses in states with well-defined modular momentum. These states constitute a basis that diagonalizes the term of the Bose-Hubbard Hamiltonian which describes the dynamics of atomic tunneling. In the framework of Bogoliubov theory we determine, for each condensate, the effective Hamiltonian whose diagonalization give us the collective excitation spectrum of the system. We show that the mode associated to a zero eigenvalue, which is a consequence of the violation of atoms number conservation, has the same modular momentum of the condensate. The condensates with modular momentum in the 2nd and 3rd quadrants are all thermodynamically unstable whereas the dynamical stability depends on the control parameters. On the other hand, the condensates with modular momentum in the 1st and 4th quadrants are all dynamically stable whereas the thermodynamical stability depends on the control parameters. Our analysis shows that the condensate with modular momentum zero, which corresponds to a global minimum of energy, is always stable independently of the control parameters. We determine, exactly, the range on the control parameters where it is possible to detect metastability in the system. We have studied how the competition between the intensities of the tunneling and local interaction terms affects the stability of the condensates. This competition defines two distinct regimes: Rabi, where the coherence between states localized in the sites is achieved, and Fock, where this coherence is not achieved and the validity of Bogoliubov approximation is questionable.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:15:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pages from Wesley Bueno1.pdf: 4320775 bytes, checksum: 75a8ed4cb0407f9831577bca544b704b (MD5) Previous issue date: 2010-07-09 / This work combines some of the results obtained on the study of solitons in relativistic fields and Bose-Einstein condensates. By using a first order formalism to solve the equations of motion of relativistic fields, introduced previously by our group, we construct several classes of lump solutions described by a single real scalar field. We show how these solutions can be controlled depending on a single parameter in the field potential. In condensed matter the solutions of the lump type correspond to bright solitons, very studied in the context of nonlinear crystals, fiber optics, Bose-Einstein condensates, etc. In all these cases, such solutions are obtained via a nonlinear Schr¨odinger equation, responsible for describing the propagation of pulses in optical fibers or crystals, or the atomic density in condensates. In this sense, our main goal is to study the soliton and breather modulations via nonlinear Schrodinger equation. We concentrate on the Bose-Einstein condensate in which the modulation of atomic density can be accomplished through the Feshbach resonance. We study cases where the nonlinearity is described by terms cubic, cubic and quintic, and purely quintic in the nonlinear Schr¨odinger equation. Also, situations where two interacting condensates in which the nonlinear Schr¨odinger equations are coupled, breather modulations, and the study of the soliton behavior under influence of chaotic, random and non-periodic perturbations in the nonlinearity of the system. In many cases we consider the condensate trapped in the cigarshaped configuration, i.e., with freedom in only one spatial dimension. Numerical simulations are performed to verify the stability of the solutions. / Este trabalho reúne alguns dos resultados obtidos sobre o estudo de sólitons em modelos de campos escalares relativísticos e em condensados de Bose-Einstein. Com o uso de um formalismo de primeira ordem para a equação de movimento de campos relativísticos, introduzido anteriormente por nosso grupo, construímos várias classes de soluções do tipo lump para um único campo escalar real. Mostramos que as formas dessas soluções podem ser controladas dependendo de um único parâmetro no potencial de campo utilizado. Em matéria condensada as soluções do tipo lump correspondem a sólitons brilhantes, muito estudados no contexto de cristais não-lineares, fibras ópticas, condensados de Bose-Einstein, etc. Em todos esses casos tais soluções são obtidas através da equação não-linear de Schrodinger, responsável por descrever a propagação de pulsos, em cristais ou fibras ópticas, ou a densidade atômica, no caso de condensados. Nesse sentido, nosso objetivo principal consiste no estudo da modulação de sólitons e breathers através da equação não-linear de Schrodinger. Nossa concentração é nos condensados de Bose-Einstein nos quais a modulação da densidade atômica pode ser realizada através da ressonância de Feshbach. Estudamos casos onde a não-linearidade é descrita por termos cúbico, cúbio e quíntico e puramente quíntico na equação não-linear de Schrodinger. Investigamos também situações onde dois condensados podem interagir e as ENLS estão acopladas, modulação de breathers e o estudo da influência de ruídos caóticos, aleatórios e não-periódicos na não-linearidade do sistema para o comportamento do sóliton. Na maior parte deste trabalho consideramos o condensado aprisionado na forma de charuto, isto é, com liberdade em apenas uma dimensão espacial. Simulações numéricas foram realizadas para verificar a estabilidade das soluções.

Neste trabalho estudamos a interação entre dois sólitons em condensados de Bose-Einstein diluídos submetidos a perturbações temporais nos potencias de armadilhamento e interação entre as partículas. Em condensados de Bose-Einstein densos estudamos a inserção do termo cinético indo além da aproximação de Thomas-Fermi e seu efeito na velocidade crítica para a formação de vórtices no condensado. / In this work we studied the soliton interactions between two solitons under time dependent perturbations in a trap potential and interparticule potential. In a dense Bose-Einstein condensate we studied the insertion of kinetic term going beyond the Thomas-Fermi approximation and its effect in critical frequency of vortices formation.