Correlations in spin-orbit coupled ultracold quantum gases

Abstract

The main goal of this thesis is the computation of ground state properties of quantum many-body systems under Spin Orbit coupling (SOC) interactions out of the ultradilute regime. We present two approaches to fulfill this goal: the development and application of quantum Monte Carlo methods and the realization of beyond mean field calculations following the Bogoliubov-de Gennes formalism. Regarding the first approach, we show how to modify the standard Diffusion Monte Carlo (DMC) algorithm such that it can sample SOC interactions. We develop the formalism of two DMC methods suited to the simulation of SOC systems: the Discrete Spin T-moves DMC (DTDMC) and the Spin-Integrated DMC (SIDMC). Since the ground state wave function of a SOC system is complex, these methods work under the fixed phase approximation, meaning that they can not provide exact ground state estimates. DTDMC corresponds to an adaptation to discrete spin variables of a preexisting SOC DMC algorithm. This method requires the definition of an effective Hamiltonian to cure a sign problem in the propagator, which worsens the quality of its estimations. On the other hand, SIDMC, a completely original method developed in this thesis, is able to bypass the definition of the effective Hamiltonian by propagating the spin-integrated wave function of the system in imaginary time. As a consequence, SIDMC yields physical estimates closer to their ground state values. However, the SIDMC method is unable to sample spin-dependent two-body interactions. Through the use of the DTDMC algorithm, we elaborate the extension to the correlated regime of the phase diagram of a many-body Raman SOC system with spin-dependent two-body interactions. The results show that correlations favor the exotic stripe phase, which features density modulations, meaning that the stripe region of the phase diagram is enlarged as the level of correlations is increased. We also report results for the pair-distribution function, the static structure factor, the one-body density matrix and the superfluidity of the system. We show that the superfluid fraction across the stripes is non-zero, meaning that the stripes are superfluid, a consistent result with previous mean field calculations. Regarding the second prescription to account for correlations in a SOC system, we follow the Bogoliubov-de Gennes formalism in order to compute the first order correction by correlations to the mean field result. We compute the Lee-Huang-Yang (LHY) energy correction for a Raman SOC system in the stripe phase for the first time. As an application, we are able to determine the role played by quantum fluctuations in a Raman SOC system in the stripe phase that is unstable at the mean field level due to attractive interactions. Such system is currently under experimental development. The results show that quantum fluctuations stabilize the collapse predicted by mean field theory, giving rise to a stabilized gas, or a stabilized liquid, depending on the values of the parameters of the Hamiltonian. Moreover, the finite system supports the existence of self-bound droplets as its ground state. These droplets show density modulations, induced by SOC. Therefore, they represent a novel state of matter in the field of ultracold atoms that combines the self-bound character of liquids, density modulations reminiscent of solids, and superfluidity. We also provide a phenomenological analytical functional of the density in order to ease the evaluation of the LHY energy. Finally, we also report a brief analysis of a quantum many-body system that features Spin Orbital Angular Coupling (SOAC). We perform DTDMC calculations in order to evaluate the impact of correlations in the system. We show that the mean field and DTDMC predictions for the energy and spin polarization agree in the range of parameters considered, meaning that correlations are not very relevant.

L'objectiu principal d'aquesta Tesi és el càlcul de propietats de l'estat fonamental de sistemes quàntics de molts cossos amb interaccions d'espí-òrbita fora del règim ultra-diluït. Es presenten dues prescripcions per dur a terme aquest objectiu: l’elaboració i utilització de mètodes de Monte Carlo i la realització de càlculs més enllà de l'aproximació de camp mig amb la tècnica de Bogoliubov-de Gennes. Pel que fa a la primera opció, es mostra com adaptar el mètode de Monte Carlo de Difusió (DMC) estàndard per tal de samplejar adequadament interaccions espí-òrbita. Es desenvolupa el formalisme de propagadors per dos mètodes diferents capaços d'assolir aquest objectiu. Aquest dos mètodes són el Discrete Spin T-moves DMC (DTDMC) i el Spin-Integrated DMC (SIDMC). El primer, l'algorisme DTDMC, es correspon a una adaptació d'un mètode prèviament existent a variables d'espí discretes. Aquest mètode requereix de la definició d'un Hamiltonià efectiu per curar un problema de signe, la qual cosa redueix la qualitat de les seves estimacions. D'altra banda, el segon mètode (SIDMC) és un algorisme completament original desenvolupat en aquest treball. Aquest mètode és capaç d'ignorar la definició d'aquest Hamiltonià efectiu per mitjà de la propagació en temps imaginari de la funció d'ona integrada a l'espai d'espins. Com a conseqüència, la qualitat de les estimacions obtingudes amb el SIDMC és superior a aquelles obtingudes amb el DTDMC. No obstant, el SIDMC és incapaç de samplejar interaccions a dos cossos que depenguin de l'espí. Fent servir el mètode DTDMC, s’elabora el l'extensió del diagrama de fases d'un sistema amb espí-òrbita Raman al règim correlacionat. Els resultats mostren que les correlacions afavoreixen l'exòtica fase amb modulacions de densitat, la fase stripe, que abasta una extensió del diagrama més gran quant major són les correlacions. A més, es reporten resultats per la distribució de parelles, el factor d'estructura estàtic, la matriu densitat a un cos, i es caracteritza quantitativament la superfluïdesa d'aquesta fase, mostrant una fracció superfluida no nul·la a la direcció transversal respecte a les modulacions de densitat. Pel que fa a la segona prescripció esmentada prèviament, s'ha seguit el formalisme de Bogoliubov-de Gennes per realitzar càlculs analítico-numèrics que tinguin en compte les correlacions a primer ordre respecte a un càlcul de camp mig per un sistema amb espí-òrbita Raman. Això ha permès obtenir la correcció de Lee-Huang-Yang (LHY) a l'energia de camp mig per a la fase stripe d'aquest sistema per primer cop. Fent servir aquest resultat, s'ha pogut determinar el paper que juguen les fluctuacions quàntiques a un sistema a la fase stripe que és inestable a nivell de camp mig a causa de la presencia d'interaccions entre components d'espí suficientment atractives. Actualment, aquests sistemes es troben en desenvolupament experimental. Els resultats mostren que les fluctuacions quàntiques estabilitzen el sistema, i dónen lloc a una fase líquida o gas en funció del valor dels paràmetres de l'Hamiltonià. A més, el sistema finit suporta l'existència de gotes líquides auto-lligades com a estat fonamental. Aquestes gotes mostren modulacions de densitat induïdes per la interacció espí-òrbita. Per tant, representen un estat de la matèria novedós al camp dels gasos quàntics ultra-freds, ja que presenten una combinació de propietats de líquid, de sòlid i superfluïdesa. A fi de facilitar els càlculs de la correcció de LHY, es reporta un funcional fenomenològic que reprodueix amb precisió els resultats provinents de càlculs complerts.

Finalment, també es reporta una breu anàlisi d'un sistema quàntic de molts cossos amb acoblament espí-òrbita de tipus angular. Es reporta un estudi amb DTDMC de l'impacte de les correlacions a un sistema d'aquest tipus.