Two-component Bose-Einstein condensates with competing interactions

Abstract

This thesis reports the experimental study of two-component Bose-Einstein condensates with tunable interactions, which are exploited as a platform to perform quantum simulation of many-body quantum systems.

To perform this experiments, we have implemented an atomic source consisting on a glass cell 2D MOT vacuum chamber and a high resolution optical system to image and manipulate the atoms. Furthermore, we develop and characterize a polarization phase contrast technique which is able to probe optically dense atomic mixtures at intermediate and high magnetic fields in open transitions. This technique has been used to either probe the total column density of a two-component atomic cloud or the difference in column density between both components.

We report on the first observation of composite quantum liquid droplets in an incoherent mixture with residual mean field attraction. Strikingly, this novel phase is stabilized due to the repulsive beyond mean field corrections in a weakly interacting system. Moreover, we have characterized the liquid to gas phase transition which occurs for small atom numbers.

Additionally, we have compared two different self-bound states in a quasi-1D geometry with incoherent mixtures: quantum droplets and bright solitons. Depending on the atom number and interaction strengths both states can be smoothly connected through a crossover or be distinct entities separated by a transition. We have measured its composition, its phase diagram and mapped out the soliton to droplet transition.

Finally, we report on a technique to modify the elastic and inelastic interactions in a two-component Bose-Einstein condensate with very unequal and competing interactions under the presence of strong coherent coupling. This technique provides a wide flexibility and has allowed us to observe bright solitons in quasi-1D in a coherently coupled dressed state. We exploit the fast temporal control of the effective interactions to quench them into the attractive regime and study the resulting modulational instability which develops into a bright soliton train.

Aquesta tesi descriu l'estudi experimental d'una mescla de dos condensats de Bose-Einstein amb interaccions ajustables. Aquest sistema és utilitzat com una plataforma per a estudiar sistemes quàntics formats per moltes partícules a partir de la simulació quàntica. Per a fer aquests experiments, he construït una font atòmica formada per una trampa magneto-òptica en 2D que s'implementa en una cambra de buit feta de vidre. A més a més, he desenvolupat i caracteritzat una tècnica d'imatge de contrast de fase basada en la rotació de la polarització de la llum. Aquesta tècnica està preparada per fer imatges de mescles atòmiques a camps magnètics intermedis i alts amb una gran densitat òptica i amb transicions òptiques obertes. Hem utilitzat la tècnica per a mesurar la densitat integrada total en l'eix òptic així com la diferència entre ambdues components. Es descriu la primera observació de gotes líquides quàntiques compostes per dues components incoherents amb una atracció residual en l'aproximació de camp mitjà. Sorprenentment, aquesta nova fase està estabilitzada a causa de la repulsió generada per les correccions de l'energia més enllà de l'aproximació de camp mitjà en un sistema amb interaccions dèbils. També hem caracteritzat la transició de fase líquid-gas que succeeix quan el sistema té un nombre d'àtoms reduït. A més a més, hem comparat dos estats autoconfinats de diferent natura en una geometria quasi-1D amb una mescla d'àtoms incoherents: les gotes quàntiques i els solitons brillants. Segons el nombre d'àtoms i la força de les interaccions aquests estats poden estar connectats o bé suaument o bé per una transició de fase. Hem mesurat la seva composició, el diagrama de fases i hem traçat el mapa de transició entre solitons i gotes en funció del camp magnètic i nombre d'àtoms. Finalment, es descriu una tècnica per a modificar les interaccions elàstiques i inelàstiques en un condensat de Bose-Einstein format per dues components, amb interaccions diferents i en competició, coherentment acoblades. Aquesta tècnica ens proveeix d'una gran flexibilitat per a modificar les interaccions i ens ha permès observar solitons brillants en quasi-1D en un estat vestit per l'acoblament coherent. Hem utilitzat l'habilitat per a modificar temporalment les interaccions per a canviar-les bruscament cap al règim atractiu i estudiar la inestabilitat dels modes que es manifesta amb la formació d'un tren de solitons brillants.