This thesis investigates aspects of field theories and soliton solutions with nontrivial topology. In particular we explore the following effective models: a limited sector of the scalar Electroweak theory called extended Abelian Higgs model, and a classical mechanics model derived from the low energy SU(2) Yang-Mills theory. The extended Abelian Higgs model applied on two-component plasma of charged particles is studied numerically. We find evidence that the model admits straight twisted line vortices. The result is described by an energy function that acquires a minimum value for a non-trivial twist. In addition to the twisted line vortices the result also suggests that stable torus shaped solitons are solutions of the theory. Furthermore we construct a classical mechanics model exhibiting some of the key properties of the low-energy Yang-Mills theory. The dynamics of the model is studied numerically. We find that its classical equations of motion support stable periodic orbits. In a three dimensional projection these trajectories are self-linked in a topologically non-trivial manner suggesting the existence of knotted configurations in low energy SU(2) Yang-Mills theory. We calculate the one-loop effective action for the Abelian Higgs model with extended Higgs sector. The resulting first order quantum corrected model shows close resemblance to a modified model where texture stabilizing term has been added to the system. In the limit where the gauge field can be entirely expressed by the scalar fields, the both models become identical suggesting that the theories are closely connected. This implies that quantum corrections have stabilising effect on the soliton solutions. These studies have contributed to a better understanding of the dynamics of non-linear low energy systems, and brought us a step closer to exploring full scale physically realistic models.

Nesta dissertação nós revisamos a teoria básica que descreve a junção Josephson bosônica para uma e duas espécies partindo do modelo de Bose-Hubbard. Em seguida explicamos como é possível gerar campos de calibe artificiais em um sistema de átomos neutros, como é o caso do condensado de Bose-Einstein. Finalmente, utilizando os conhecimentos teóricos desenvolvidos anteriormente nós buscamos os estados estacionários de um sistema de pseudospin 1/2 submetido a um campo de calibre não-Abeliano artificial, que torna a dinâmica da junção muito mais complexa e rica. Nós também exploramos um novo desbalanceamento de população que surge no sistema, devido a presença do campo de calibre, com características similares as do Macroscopic Quantum Self-Trapping. / In this dissertation we review the basic theory that describes the bosonic Josephson junction for one and two species using the Bose-Hubbard model. Afterwards, we explain how it is possible to generate artificial gauge fields for neutral atoms, like a Bose-Einstein condensate. Finally, using this theoretical background we search for stationary states of a pseudospin 1/2 system subject to a non-Abelian artificial gauge field which turns the dynamic of the junction much more complex and rich. We also explore a possible new populational imbalance that appears on the system due to the presence of the gauge field, with similar features as the Macroscopic Quantum Self-Trapping.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2016-03-15T12:16:24Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5169144 bytes, checksum: 66d534e3f0c0c59bf5d35a45290fa390 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-15T12:16:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5169144 bytes, checksum: 66d534e3f0c0c59bf5d35a45290fa390 (MD5) Previous issue date: 2015-02-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this thesis, we propose an experimental setup for the study of Landau quantization and associated effects in a two-dimensional ultracold atomic gas. Gauge fields can emerge in the equation of motion for the optically addressed ultracold atoms. To this end, spatially dependent dark states are necessary for the internal states of the atoms. A tripod level scheme yields two degenerate dark states which can leads to either an Abelian U(1) U(1) gauge field or a non-Abelian SU(2) gauge field. Using a suitable laser configuration, we obtain a uniform U(1) U(1) magnetic field which causes the atoms organize themselves in Landau levels. The strength of the effective magnetic field depends on the relative intensity of the lasers beams at the atomic cloud. We estimate the degeneracy of the energy levels for an atomic gas formed by atoms of 87Rb. In addition, we establish the experimental conditions to reach the lowest Landau level regime. In the zero-temperature limit, we realize the emergence of magnetic oscillations in the atomic energy and its derivative as function of the inverse of the effective magnetic field (de Haas van Alphen effect). The period of the de Haas van Alphen oscillation allow us to determine area of the Fermi circle for the atomic gas via an Onsager-like relation. We also show that detuning the a laser from the two-photon resonance we generate a parabolic scalar potential that laterally confines the atoms. As a consequence, the Landau levels degeneracy is removed, since the energy spectrum depends explicitly on the transverse atomic momentum. We show that the Landau levels presents a reminiscent degeneracy when the boundaries conditions are considered. The residual degeneracy occurs when different energy levels overlap. We map the residual degeneracy points as a function of the effective magnetic field. Finally, we present an experimental scheme for observing the spin Hall effect for ultracold atoms in a tripod configuration. / Nesta tese, propomos um arranjo experimental para o estudo da quantização de Landau e efeitos associados em um gás atômico ultrafrio bidimensional. Campos de calibre podem surgir na equação de movimento para átomos ultrafrios oticamente vestidos. Para que isto ocorra, estados escuros espacialmente dependentes são necessários a partir dos estados internos dos átomos. Átomos numa configuração de níveis de energia do tipo tripod produzem dois estados escuros degenerados, que podem levar a campos de calibre Abelianos U(1) U(1) ou não-Abelianos SU(2). Utilizando uma configuração adequada de lasers, mostramos que é possível se produzir um campo magnético sintético uniforme U(1) U(1) que atua nos átomos neutros fazendo-os se organizarem em níveis de Landau. A intensidade do campo efetivo depende da intensidade relativa dos feixes de luz na nuvem atômica. Estimamos a degenerescência dos níveis de energia para um gás atômico formado por átomos de 87Rb e estabelecemos as condições experimentais para que seja atingido o regime em que todos os átomos populam unicamente o nível de Landau menos energético. Considerando o limite de temperatura nula, verificamos o surgimento de oscilações magnéticas na energia e em sua derivada como uma função do inverso do campo magnético efetivo (efeito de Haas van Alphen). O período da oscilação magnética nos permite determinar a área do círculo de Fermi para o gás atômico através de uma expressão similar a de Onsager para sistemas eletrônicos. Mostramos também que dessintonizando um dos lasers em relação à ressonância de dois fótons geramos um potencial escalar parabólico que faz com os átomos sejam lateralmente confinados. Isto resulta na remoção da degenerescência dos níveis de Landau, uma vez que a energia depende explicitamente do momento atômico transverso. Demonstramos que, aplicando condições periódicas de contorno ao sistema, temos o surgimento de uma degenerescência residual. A degenerescência remanescente ocorre quando diferentes níveis de energia se superpõem. Mapeamos os pontos de degenerescência como uma função do campo magnético efetivo. Por fim, apresentamos um esquema experimental para a observação do efeito spin Hall para átomos ultrafrios em uma configuração tripod.