Vortex dynamics on a shell-trapped Bose-Einstein condensate with dipole-dipole interactions and thermal melting of a two-dimensional vortex lattice
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | eng |
| Instituição de defesa: |
Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
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| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-26112024-102001/ |
Resumo: | There are many efforts to understand better the dipolar long-range interaction, the shell potential confinement, and the vortices in Bose-Einstein condensates (BECs). Furthermore, combining these three areas suggests that it can give rise to new phenomena. In this thesis, we studied the dynamics of vortices in a shell-trapped dipolar BEC. The long-range dipolar interaction induces an inhomogeneous density distribution on the shell, affecting the vortex velocity field. We analyzed the dynamics of one and two pairs of vortices symmetrically located in the shell to separate the vortex-vortex interaction contribution from that of the density gradient due to the inhomogeneous background. In addition to the numerical studies, a Lagrangian formalism allowed us to derive semi-analytical expressions which are in agreement with the results of the Gross-Pitaevskii equation (GPE) simulations, giving us better insights into the influence of the core in the vortex dynamics outside the validity of the point-vortex model. In the second part of this thesis, we describe an actual experimental implementation of the shell BEC. Using the Stochastic Projected GPE simulations, we determine the configuration of a finite temperature vortex lattice produced in this potential over the action of gravity. More specifically, we studied the transition from a perfectly hexagonal (triangular) lattice to the hexatic and liquid phases by detecting the vortex positions to calculate the angular and pair correlation functions of this system for different values of temperatures and trap rotation frequencies. Our results for the vortex lattice melting are consistent with the hexatic to liquid transition in the Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) scenario and can be extended to predict the melting temperature of other finite-size systems. |
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Vortex dynamics on a shell-trapped Bose-Einstein condensate with dipole-dipole interactions and thermal melting of a two-dimensional vortex latticeDinâmica de vórtice em condensado de Bose-Einstein dipolar em armadilha do tipo casca e derretimento térmico de uma rede de vórtice bidimensionalArmadilha bolhaBose-Einstein CondensateBubble trapCondensado de Bose-EinsteinDerretimento de vórticesDinâmica de vórticesDipole interactionInteração dipolarMelting vortexVortex dynamicsThere are many efforts to understand better the dipolar long-range interaction, the shell potential confinement, and the vortices in Bose-Einstein condensates (BECs). Furthermore, combining these three areas suggests that it can give rise to new phenomena. In this thesis, we studied the dynamics of vortices in a shell-trapped dipolar BEC. The long-range dipolar interaction induces an inhomogeneous density distribution on the shell, affecting the vortex velocity field. We analyzed the dynamics of one and two pairs of vortices symmetrically located in the shell to separate the vortex-vortex interaction contribution from that of the density gradient due to the inhomogeneous background. In addition to the numerical studies, a Lagrangian formalism allowed us to derive semi-analytical expressions which are in agreement with the results of the Gross-Pitaevskii equation (GPE) simulations, giving us better insights into the influence of the core in the vortex dynamics outside the validity of the point-vortex model. In the second part of this thesis, we describe an actual experimental implementation of the shell BEC. Using the Stochastic Projected GPE simulations, we determine the configuration of a finite temperature vortex lattice produced in this potential over the action of gravity. More specifically, we studied the transition from a perfectly hexagonal (triangular) lattice to the hexatic and liquid phases by detecting the vortex positions to calculate the angular and pair correlation functions of this system for different values of temperatures and trap rotation frequencies. Our results for the vortex lattice melting are consistent with the hexatic to liquid transition in the Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) scenario and can be extended to predict the melting temperature of other finite-size systems.Existem muitos esforços para compreender melhor a interação de longo alcance, o potencial de confinamento do tipo casca, e os vórtices no condensado de Bose-Einstein (BECs). Além disso, a combinação dessas três áreas sugere que isso pode trazer a tona novos fenômenos. Nesta tese, nós estudamos a dinâmica de vórtices na casca dipolar armadilhada BEC. A interação de longo alcance dipolar induz uma inohomogeneidade na distribuição de densidade na casca, afetando o campo de velocidade do vórice. Nós analisamos as dinâmicas de um e de dois pares de vórtices localizados simetricamente na casca para separar a contribuição interação vórtice-vórtice da do gradiente de densidade devido a inomogeneidade. Juntamente aos estudos numéricos, o formalismo lagrangiano nos permite derivar uma expressões semi-analíticas que estão de acordo com os resultados da simulação da equação de Gross-Pitaevskii (GPE), o que nos dá uma melhor compreensão sobre a influência do núcleo na dinâmica de vórtice indo além do simples modelo de vórtice pontual. Na segunda parte dessa tese, nós descrevemos uma atual implementação experimental da casca BEC. Usando as simulações da GPE estocástica projetada, nós determinamos a configuração de rede finita produzida neste potencial junto a ação da gravidade. Mais especificamente, nós estudamos a transição de uma rede perfeitamente hexagonal (triangular) para as fases hexática e líquida ao detectar as posições dos vórtices para calcular as funções de correlação angular e de pares do nosso sistema para diferentes temperaturas e frequências de rotação. Nossos resultados para o derretimento da rede de vórtices são consistentes com a transição hexática e líquida no cenário de Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) e pode ser extendida para prever a temperatura de derretimento para um sistema finito.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPSantarelli, Mônica Andrioli CaracanhasBereta, Sálvio Jacob2024-10-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-26112024-102001/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/openAccesseng2024-11-26T13:47:02Zoai:teses.usp.br:tde-26112024-102001Biblioteca 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:27212024-11-26T13:47:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false |
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There are many efforts to understand better the dipolar long-range interaction, the shell potential confinement, and the vortices in Bose-Einstein condensates (BECs). Furthermore, combining these three areas suggests that it can give rise to new phenomena. In this thesis, we studied the dynamics of vortices in a shell-trapped dipolar BEC. The long-range dipolar interaction induces an inhomogeneous density distribution on the shell, affecting the vortex velocity field. We analyzed the dynamics of one and two pairs of vortices symmetrically located in the shell to separate the vortex-vortex interaction contribution from that of the density gradient due to the inhomogeneous background. In addition to the numerical studies, a Lagrangian formalism allowed us to derive semi-analytical expressions which are in agreement with the results of the Gross-Pitaevskii equation (GPE) simulations, giving us better insights into the influence of the core in the vortex dynamics outside the validity of the point-vortex model. In the second part of this thesis, we describe an actual experimental implementation of the shell BEC. Using the Stochastic Projected GPE simulations, we determine the configuration of a finite temperature vortex lattice produced in this potential over the action of gravity. More specifically, we studied the transition from a perfectly hexagonal (triangular) lattice to the hexatic and liquid phases by detecting the vortex positions to calculate the angular and pair correlation functions of this system for different values of temperatures and trap rotation frequencies. Our results for the vortex lattice melting are consistent with the hexatic to liquid transition in the Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) scenario and can be extended to predict the melting temperature of other finite-size systems. |
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