Modulation instability in a binary Bose-Einstein condensate

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Gaspar, Pedro Minarelli
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-23092025-084325/
Resumo: If two immiscible components are set together, they tend to phase-separate. This demixing dynamic is not always smooth, and in some cases – such as oil and water demixing – specific patterns and structures emerge before the complete segregation. The onset of these structures is described as a hydrodynamic instability, where a small fluctuation in the system is amplified, leading to specific domain formations. Such instabilities are also predicted and observed in quantum superfluids, such as liquid helium and atomic Bose- Einstein condensates (BECs). In this thesis, we first produce an almost pure sodium BEC in an optical trap, where a μ–wave pulse transfer part of the atoms from the hyperfine state |F = 1,mF = −1⟩ to |F = 2,mF = −2⟩. This initially overlapped mixture is immiscible and, during the demixing dynamics, we have observed the formation of alternating concentric shells associated to the onset of a modulation instability. Our analysis was able to identify the exponential increase of the pattern formation, characteristic of an instability, and estimate its time and length scales. In addition, the instrumentation developed in this project to produce the binary BEC opened up the possibility for further studies in the context of phase-separation and spin mixtures.
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spelling Modulation instability in a binary Bose-Einstein condensateInstabilidade modulacional em um condensado de Bose-Einstein binárioBinary mixtureBose-Einstein condensateCondensado de Bose-EinsteinInstabilidade modulacionalMistura bináriaModulation instabilitySódioSodiumIf two immiscible components are set together, they tend to phase-separate. This demixing dynamic is not always smooth, and in some cases – such as oil and water demixing – specific patterns and structures emerge before the complete segregation. The onset of these structures is described as a hydrodynamic instability, where a small fluctuation in the system is amplified, leading to specific domain formations. Such instabilities are also predicted and observed in quantum superfluids, such as liquid helium and atomic Bose- Einstein condensates (BECs). In this thesis, we first produce an almost pure sodium BEC in an optical trap, where a μ–wave pulse transfer part of the atoms from the hyperfine state |F = 1,mF = −1⟩ to |F = 2,mF = −2⟩. This initially overlapped mixture is immiscible and, during the demixing dynamics, we have observed the formation of alternating concentric shells associated to the onset of a modulation instability. Our analysis was able to identify the exponential increase of the pattern formation, characteristic of an instability, and estimate its time and length scales. In addition, the instrumentation developed in this project to produce the binary BEC opened up the possibility for further studies in the context of phase-separation and spin mixtures.Se duas componentes imiscíveis são colocadas juntas, elas tendem a se separar. Essa dinâmica de separação nem sempre é suave e, em alguns casos – como na separação de água e óleo – padrões e estruturas específicas emergem antes da segregação completa. O surgimento dessas estruturas é descrito como uma instabilidade hidrodinâmica, na qual uma pequena flutuação no sistema é amplificada, levando à formação de domínios específicos. Tais instabilidades também são previstas e observadas em superfluidos quânticos, como o hélio líquido e condensados de Bose-Einstein (BECs) atômicos. Nesta dissertação, primeiro produzimos um BEC de sódio quase puro em uma armadilha óptica, onde um pulso de micro-ondas transfere parte dos átomos do estado hiperfino |F = 1,mF = −1⟩ para |F = 2,mF = −2⟩. Essa mistura inicialmente sobreposta é imiscível e, durante a dinâmica de separação, observamos a formação de cascas concêntricas alternadas associadas ao surgimento de uma instabilidade modulacional. Nossa análise conseguiu identificar o crescimento exponencial da formação de padrões, característico de uma instabilidade, e estimar suas escalas de tempo e comprimento. Além disso, a instrumentação desenvolvida neste projeto para produzir o BEC binário possibilita futuros estudos no contexto de separação de fase e misturas de spin.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPCastilho, Patrícia Christina MarquesGaspar, Pedro Minarelli2025-08-22info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-23092025-084325/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-09-23T14:34:02Zoai:teses.usp.br:tde-23092025-084325Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-09-23T14:34:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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