Thesis (Ph.D.); Submitted to Iowa State Univ., Ames, IA (US); 12 Dec 2003. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 2028" Haibo Cao. 12/12/2003. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

L’étude des vortex trouve sa justification dans le rôle que ces derniers jouent dans la turbulence quantique. L’équation de Gross-Pitaevskii ne peut pas nous permettre de modéliser convenablement l’Hélium superfluide, mais on peut l’utiliser pour obtenir le paramètre d'ordre d’un superfluide modèle, ayant le maximum de propriétés en commun avec l’Hélium, notamment une courbe de dispersion identique, par la modification du terme d’interactions.En supposant que le minimum roton influence l’essentiel de la physique, on détermine la forme du paramètre d’ordre loin de la perturbation créée par le vortex rectilinéaire axisymétrique par deux approches différentes - il apparaît alors que seuls deux paramètres sont nécessaires pour caractériser entièrement le profil.Le modèle proposé par Pomeau-Rica, qui offre la possibilité d’étudier le superfluide près de la cristallisation, met en lumière l’impact de la profondeur du minimum roton sur l’amplitude des oscillations. Par comparaison avec les résultats obtenus ab initio par Reatto, les résultats donnés par le modèle de Berloff-Roberts exhibent un déphasage marqué, qui semble être une conséquence non-physique de la forme du spectre d’excitation. Les calculs énergétiques laissent à penser que les oscillations portent une faible fraction de l’énergie du vortex, l'énergie cinétique dominant.Le calcul du paramètre d’ordre est effectué pour un anneau de grande taille par rapport à la distance interatomique, à vitesse nulle et à vitesse non-nulle. La détermination des énergies potentielle et cinétique permet d’accéder à la vitesse maximale atteinte par l’anneau en fonction de son rayon et de la comparer à la vitesse critique de Landau. / Vortices study's justification lays in the fact that those former play an important part in quantum turbulence. The Gross-Pitaevskii equation can't be a proper model for superfluid helium, but we can still use it to determine the order parameter of a theoretical superfluid, which has then the maximum amount of properties in common with liquid helium, and in particular, the same dispersion relation, thus gained by modifying the interaction terms.We then make the assumption that all the physical properties of the superfluid are triggered by the existence of the roton minimum, which allows us to calculate the order parameter far from the perturbation created by an axisymmetric rectilinear vortex, using two different methods. At that point, it appears that only two parameters are needed to fully characterize vortex profil.Pomeau-Rica's model offers the possibility to study the superfluid near crystallization and reveals the influence of the roton minimum's shape and depth on oscillations' amplitude. Results are subsequently compared to those given by Reatto's ab initio calculations. In Berloff-Roberts' model, profil displays a strong phase shift, which seems to be a non-physical consequence of the dispersion relation's shape at high frequencies. Energies reckoning leads us to think that oscillations carry a small fraction of the total vortex' energy, meaning that the kinetic energy is dominant.The order parameter for a vortex ring, whose radius is much larger than the interatomic distance, is calculated at zero and nonzero speed. Potential and kinetic energies are estimated and help us obtain the maximal speed reached by such a ring, depending on its radius and finally discussed this speed in regard to the Landau critical speed.

La dimensionnalité d’un système affecte fortement ses propriétés physiques ; les transitions de phasequi s’y déroulent ainsi que le type d’ordre qui y apparaît dépendent de la dimension. Dans les systèmesde basse dimension, la cohérence s’avère plus difficile à établir car les fluctuations thermiques etquantiques y jouent un rôle plus important. Le fluide de Bose à deux dimensions est particulièrementintéressant car, même si un ordre total est exclu, un ordre résiduel à « quasi-longue » portée s’établit àbasse température. Deux ingrédients ont un effet significatif sur l’état du système : (i) la taille finie d’unsystème réel permet de retrouver une occupation macroscopique d’un état à une particule ; (ii) les interactionsentre particules conduisent à l’apparition d’un type non-conventionnel de transition de phasevers un état superfluide.Dans cette thèse, nous présentons une étude expérimentale du gaz de Bose bidimensionnel (2D) utilisantdeux types de paysages énergétiques pour piéger nos atomes. Dans la première partie, nous utilisonsla dépendance spatiale de certaines propriétés locales d’un gaz inhomogène pour caractériser l’étatdu système homogène équivalent. Nous extrayons son équation d’état des profils de densité et noustestons son comportement superfluide en mesurant le chauffage induit par le mouvement d’une perturbationlocale. Dans la deuxième partie, nous observons et caractérisons l’émergence d’une cohérencede phase étendue dans un gaz 2D homogène, en particulier via le passage de trois dimensions à deux(croisement dimensionnel). Nous étudions l’établissement dynamique de la cohérence par un passagerapide du croisement dimensionnel et nous observons des défauts topologiques dans l’état superfluidefinal. Nous comparons nos résultats avec les prédictions du mécanisme de Kibble–Zurek. / The dimensionality of a system strongly affects its physical properties; the phase transitions that takeplace and the type of order that arises depend on the dimension. In low dimensional systems phasecoherence proves more difficult to achieve as both thermal and quantum fluctuations play a strongerrole. The two-dimensional Bose fluid is of particular interest as even if full order is precluded, a residual"quasi-long" range order arises at low temperatures. Then two ingredients have a significant effecton the state of the system: (i) the finite size of a real system enables one to recover of a macroscopicoccupation of a single-particle state; (ii) the interactions between particles lead to the emergence of anon-conventional type of phase transition toward a superfluid state.In this thesis, we present an experimental study of the two-dimensional (2D) Bose gas using two differentenergy landscapes to trap our atoms. In the first part, we use the spatial dependence of somelocal properties of an inhomogeneous gas to characterize the state of the equivalent homogeneous system.We extract its equation of state with a high accuracy from the gas density profiles and test itssuperfluid behavior by measuring the heating induced by a moving local perturbation. In the secondpart, we observe and characterize the emergence of an extended phase coherence in a 2D homogeneousgas in particular via a 3D-to-2D dimensional crossover. We investigate the dynamical establishment ofthe coherence via a rapid crossing of the dimensional crossover and observe topological defects in thefinal superfluid state. We compare our findings with the predictions for the Kibble–Zurek mechanism.

Ces travaux sont consacrés à l'étude d'un gaz d'excitons bidimensionnel créé dans un double puits quantique de semi-conducteurs. Grâce à un champ électrique appliqué perpendiculairement au plan des puits, les deux composants de l'exciton, l'électron et le trou, sont chacun confinés dans deux puits séparés. Ceci donne lieu à des excitons avec un fort moment dipolaire qui sont piégés et refroidis à très basse température. Dans ce manuscrit, nous étudions les propriétés du gaz d'excitons à travers la photoluminescence émise lors de la recombinaison des paires électron-trou, que nous analysons grâce à des mesures spectroscopiques et interférométriques. Ainsi, nous avons étudié la thermodynamique du gaz d'excitons dans un piège harmonique et établi son équation d'état. Nous avons dévoilé l'universalité de l'équation d'état ce qui a rendu possible la première démonstration de l'équilibre thermodynamique du gaz et a aussi permis d'évaluer la force des interactions entre excitons. En associant des mesures de cohérence spatiale et l'étude de la distribution de défauts de densité dans la photoluminescence des excitons, nous avons montré que dans une zone centrale du piège de rayon R < 3 µm, il s'opère conjointement une augmentation du niveau de cohérence et une diminution de la densité de défauts. Des travaux précédents ayant montré que ces défauts pouvaient constituer des défauts topologiques appelés vortex, nos observations constituent ainsi un ensemble de preuves de l'établissement d'un état superfluide dans la partie centrale du piège, en accord avec la théorie prédite par Berezinskii-Kosterlitz et Thouless. / This work is devoted to the study of a two dimensional exciton gas created in a semiconductordouble quantum wells. Thanks to an electric field applied perpendicular to these layers,the exciton constituents, namely, the electron and the hole, are confined each in one quantumwell so that excitons inherit a strong electric dipole. In this manuscript, we study the propertiesof such exciton gas trapped at very low temperature, through the photoluminescence emittedby electron-hole recombinations. We particularly study the emitted light using spectroscopic andinterferometric techniques. Thus, we explore the thermodynamics of a trapped gas and quantifyits equation of state. We unveil an important feature: the universality of the equation of state,which allows the first demonstration of thermodynamic equilibrium for excitons, and we realizea direct measurement of the excitons dipolar interaction strength. By probing both the spatialcoherence and the density of defects of the excitons photoluminescence, we show that it exists acentral region (R < 3 μm) in an exciton trap where a high degree of spatial coherence is conditionedby a decrease of the defects density. Our experiments thus provide a set of evidences pointingtowards a Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition for trapped 2D exciton gas.

The direct integration of magnon-spintronic devices in current technologies requires the development of spin-wave sources emitting ultra-short wavelengths and low-loss spin-wave guides. In this work, possible solutions for both of these challenges are provided. The first part of this thesis is dedicated to the nonreciprocal spin-wave emission in magnetic bilayers. Two prototype systems are theoretically investigated and corroborated by experimental results: (i) extended magnetic bilayer films and (ii) micron-sized elliptical magnetic bilayers. The nonreciprocity of the dispersion relation induced by the dynamic dipole-dipole interactions is investigated by means of micromagnetic simulations and an analytic theory. The nonreciprocal frequency shift linearly increases with the film thickness for small wave numbers. The topological emission of short-wavelength spin waves is observed in the micron-sized elliptical magnetic bilayers using scanning transmission X-ray microscopy and theoretically corroborated utilizing micromagnetic simulations. The second part of this thesis theoretically investigates a special spin transport mechanism in ferromagnetic thin films termed spin superfluidity. The main characteristic of this macroscopic state is the power-law dependence of the dissipated spin current in contrast to the exponential damping of spin waves, enabling low-loss long-range transport. The possible existence and the stability of the superfluidic transport in ferromagnetic thin films excited by spin-transfer torque in the presence of the intrinsic dipole-dipole interactions is reported for the first time. To provide indicators to prove the experimental realization of a spin superfluid the dependence on the excitation current is numerically analyzed. Three distinct regimes are obtained for both disabled and enabled dipole-dipole interactions, showing the generality of the investigated system. Both presented effects might open new paths for the technological application of magnonic devices in the future. / Die direkte Integration von magnon-spintronischen Bauteilen in moderne Technologien erfordert die Entwicklung von kurzwelligen Spinwellenquellen und verlustarmer Spinwellenleiter. In dieser Arbeit werden mögliche Lösungen für diese beiden Herausforderungen vorgestellt. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der nichtreziproken Spinwellenemission in magnetischen Doppellagen. Zwei Prototypsysteme werden theoretisch untersucht und durch experimentelle Ergebnisse untermauert: (i) ausgedehnte magnetische Doppellagen und (ii) mikrometer-große elliptische Doppellagen. Durch die dynamischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wird eine Nichtreziprozität der Dispersionsrelation induziert. Diese wird mittels mikromagnetischer Simulationen und einer analytischen Theorie untersucht. Die nichtreziproke Frequenzverschiebung nimmt hierbei bei kleinen Wellenzahlen linear mit der Filmdicke zu. Die topologische Emission von Spinwellen wird in den mikrometer-großen elliptischen Doppellagen unter Verwendung von Röntgentransmissionsmikroskopie beobachtet und theoretisch unter Verwendung mikromagnetischer Simulationen bestätigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der spezielle Spintransport in ferromagnetischen dünnen Filmen untersucht, der als Spinsuprafluidität bekannt ist. Das Hauptmerkmal dieses makroskopischen Zustands ist die Abhängigkeit des dissipierten Spinstromes von der Propagationslänge als Potenzgesetz im Gegensatz zur exponentiellen Dämpfung von Spinwellen. Die Existenz und die Stabilität des suprafluiden Transportes in dünnen ferromagnetischen Filmen, angeregt durch einen spinpolarisierten Strom, in Gegenwart der intrinsischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wird erstmals beschrieben. Um Hinweise für die experimentelle Realisierung der Spinsuprafluidität zu geben, wird die Abhängigkeit des Zustandes vom Anregungsstrom numerisch analysiert. Hierbei ergeben sich drei verschiedene Bereiche für den Fall vernachlässigter als auch aktivierter Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Dies zeigt die Allgemeinheit des untersuchten Systems. Die beiden vorgestellten Effekte könnten in Zukunft neue Wege für die technologische Anwendung magnonischer Strukturen eröffnen.

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Condensed matter systems undergoing phase transitions rarely allow exact solutions. The presence of disorder renders the situation  even worse but collective Monte Carlo methods and parallel algorithms allow numerical descriptions. This thesis considers classical phase transitions in disordered spin systems in general and in effective models of superfluids with disorder and novel interactions in particular. Quantum phase transitions are considered via a quantum to classical mapping. Central questions are if the presence of defects changes universal properties and what qualitative implications follow for experiments. Common to the cases considered is that the disorder maps out correlated structures. All results are obtained using large-scale Monte Carlo simulations of effective models capturing the relevant degrees of freedom at the transition. Considering a model system for superflow aided by a defect network, we find that the onset properties are significantly altered compared to the $\lambda$-transition in $^{4}$He. This has qualitative implications on expected experimental signatures in a defect supersolid scenario. For the Bose glass to superfluid quantum phase transition in 2D we determine the quantum correlation time by an anisotropic finite size scaling approach. Without a priori assumptions on critical parameters, we find the critical exponent $z=1.8 \pm 0.05$ contradicting the long standing result $z=d$. Using a 3D effective model for multi-band type-1.5 superconductors we find that these systems possibly feature a strong first order vortex-driven phase transition. Despite its short-range nature details of the interaction are shown to play an important role. Phase transitions in disordered spin models exposed to correlated defect structures obtained via rapid quenches of critical loop and spin models are investigated. On long length scales the correlations are shown to decay algebraically. The decay exponents are expressed through known critical exponents of the disorder generating models. For cases where the disorder correlations imply the existence of a new long-range-disorder fixed point we determine the critical exponents of the disordered systems via finite size scaling methods of Monte Carlo data and find good agreement with theoretical expectations. / <p>QC 20150306</p>

Since Feynman's realization of using quantum systems to investigate quantum dynamics, interest in creating controllable quantum systems to simulate condensed matter phenomenon has been high. With the realization of BECs in 1995, the realization of a relatively clean testbed for simulating some of these phenomenon became a reality. My PhD research has been an exploration of the production and use of Bose-Einstein Condensates for the study of superfluidity. The first 3 years have been spent in the actual building of a Na BEC apparatus. During this time, we’ve implemented a distinct technique to trap ultra cold Na atoms, i.e. the Optically Plugged Trap. In the process, we have shown how atoms in a linear trap can show spin metastability and thus maintain a nonequilibrium state for long periods of time. In studying the interaction of ultra-cold atoms with light, we have developed a technique to measure the velocity distribution of atoms using a standing optical wave (Bragg Spectroscopy). Alongside this, we have also created optical traps for atoms in which we can change to shape of the trap itself to probe different condensed matter systems. The eventual goal being the investigation of condensed matter physics, specifically superfluidity, using ultra-cold atoms.

19 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 1936" Jongik Park. 12/19/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Thesis (Ph.D.); Submitted to Iowa State Univ., Ames, IA (US); 12 Dec 2003. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 2048" Stavroula Foteinopoulou. 12/12/2003. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.