Resumen de Ultracold dipolar gases in optical lattices
Christian Trefzger
Esta tesis es un trabajo teórico, en el que estudiamos la física de los átomos dipolares bosónicos ultrafríos en retículos ópticos. Éstos gases consisten de átomos o moléculas bosónicas, enfriados bajo la temperatura de degeneración cuántica, típicamente del orden de nK. En éstas condiciones, en una trampa armónica tridimensional (3D), los bosones que interaccionan débilmente condensan y forman un Condensado de Bose Einstein (BEC). Cuando se carga un BEC en un retículo óptico producido por ondas estacionarias de luz láser, se producen nuevos fenómenos físicos. Estos sistemas entonces realizan modelos de tipo Hubbard y pueden ser llevados a regimenes fuertemente correlacionados.En 1989, M. Fisher et. al. predecían que el modelo de Bose-Hubbard homogéneo (BH) presenta la transición de fase cuántica Superfluid-Mott insulator (SF-MI). En 2002, la transición entre éstas dos fases fue observada experimentalmente por primera vez en el grupo de T. Esslinger e I. Bloch. La realización experimental de un BEC dipolar de cromo en el grupo de T. Pfau, y los progresos recientes en las técnicas de enfriamiento y atrapamiento de moléculas dipolares en los grupos de D. Jin e J. Ye, han abierto el camino hacia los gases cuánticos ultra-fríos dominados por la interacción dipolar. La evolución natural, y el reto de hoy en día por parte experimental, es de cargar BEC dipolares en retículos ópticos y estudiar los gases dipolares fuertemente correlacionados.Antes de éste trabajo de doctorado, estudios sobre modelos de BH con interacciones extendidas a los primeros vecinos mostraron la evidencia de nuevas fases cuánticas, como el supersólido (SS) y la fase checkerboard (CB). Debido al carácter de largo alcance de la interacción dipolo-dipolo, que decae con la potencia cúbica inversa de la distancia, es necesario incluir más de un primer vecino para obtener una descripción fiel y cuantitativa de los sistemas dipolares. De hecho, al incluir más vecinos se permiten y se estabilizan aún más nuevas fases.En esta tesis estudiamos modelos de BH con interacciones dipolares, investigando más allá del estado fundamental. Estudiamos un retículo bidimensional (2D) donde los dipolos están polarizados en dirección perpendicular al plano 2D, dando lugar a una interacción dipolar repulsiva e isotrópica. Utilizamos aproximaciones de campo-medio y un ansatz Gutzwiller, que son suficientemente correctos y adecuados para describir este sistema. Encontramos que los gases dipolares en 2D presentan una multitud de estados metaestables de tipo MI, que compiten con el estado fundamental, de modo parecido a sistemas desordenados. Estudiamos en detalle el destino de estos estados metaestables: como pueden ser preparados de manera controlada, como pueden ser detectados, cual es su tiempo de vida debido al tunnelling, y cual es su rol en los procesos de enfriamiento. Además, encontramos que el estado fundamental está caracterizado por estados MI de tipo checkerboard con coeficiente de ocupación n fraccionario (numero medio de partículas por sitio) que depende del cut-off utilizado en el radio de alcance de la interacción. Confirmamos esta predicción estudiando el mismo sistema con métodos Quantum Monte Carlo (worm algorithm). En este caso no utilizamos ningún cut-off en el radio de alcance de la interacción, y encontramos pruebas de una "Devil's staircase" en el estado fundamental, i.e. donde las fases MI aparecen en todos los n racionales del retículo subyacente. Encontramos además, regiones de los parámetros donde el estado fundamental es supersólido, obtenido drogando los sólidos con partículas o con agujeros.En este trabajo, investigamos también como cambia la estructura precedente en 3D. Nos focalizamos en el retículo 3D más sencillo compuesto de dos planos 2D, en el cual los dipolos están polarizados perpendicularmente a los planos; la interacción dipolar es entonces repulsiva por partículas del mismo plano, mientras es atractiva por partículas en el mismo sitio de dos planos diferentes. En cambio suprimimos el tunnelling entre los planos, lo cual hace el sistema equivalente a una mezcla bosónica en un retículo 2D. Nuestros cálculos muestran que las partículas se juntan en parejas, y demostramos la existencia de la nueva fase cuántica Pair Super Solid (PSS).Actualmente estamos estudiando un retículo 2D donde los dipolos están libres de apuntar en ambas direcciones perpendicularmente al plano, lo cual resulta en una interacción a primeros vecinos repulsiva (atractiva) por dipolos alineados (anti-alineados). Encontramos regiones de parámetros donde el estado fundamental es ferromagnético u anti-ferromagnético, y encontramos pruebas de la existencia de la fase cuántica Counterflow Super Solid (CSS).Las nuestras predicciones tienen directas consecuencias experimentales, y esperamos que vengan pronto controladas en experimentos con gases dipolares atómicos y moleculares ultra-fríos.
