Emerging many-body phenomena in Raman-dressed ultracold atoms

Abstract

Els sistemes d’àtoms ultrafreds són una excel·lent plataforma pel desenvolupament de la ciència i les tecnologies quàntiques. El seu grau de flexibilitat i la precisió amb què poden ser manipulats i interrogats per mitjà de camps electromagnètics els converteix en un sistema ideal per la simulació de fenòmens quàntics de molts cossos. Els gasos ultrafreds vestits amb llum Raman, on estats interns són acoblats mitjançant la interacció dipolar àtom-llum, són una eina prominent per la simulació de camps gauge i de l’acoblament espín-òrbita. En combinació amb les interaccions àtom-àtom en el gas, l’acoblament Raman ofereix una via prometedora cap a l’observació i l’exploració experimental d’ordre topològic i de magnetisme quàntic en gasos ultrafreds. En aquesta tesi considerem una nova perspectiva i interpretem l’acoblament Raman com una eina per dissenyar àtoms artificials amb propietats inusuals i interaccions que es poden modificar amb la llum Raman. Mostrem que aquest procediment el podem aplicar per descriure els règims de baixa energia tant de gasos amb interacció feble, com en gasos fortament interactuants carregats en xarxes òptiques. Aquesta descripció ens permet identificar nous fenòmens i proposar protocols experimentals per poder observar-los. Seguint aquest enfocament, primer estudiem el gas en el règim d’interacció i acoblament feble, on explorem l’emergència i potencials usos de la dinàmica coherent de col·lisió que canvia l’espín, mitjançada per processos Raman. Demostrem que, a baixes energies, el gas bosònic vestit es pot descriure com un grau d’espín macroscòpic. Aquest mapa ens permet dissenyar de dos protocols per preparar de forma eficient la fase “stripe” ferromagnètica, una fase fràgil que exhibeix propietats de supersòlid i que ha atret una atenció significant. A la vegada, a través del model efectiu podem identificar noves fases quàntiques d’estat excitat (FQEEs) en el gas vestit, en correspondència directa amb aquelles conegudes en el mateix sistema sense acoblament Raman. A més, les fases al sistema vestit són més riques, i estan caracteritzades per les propietats espacials de la funció d’ona macroscòpica. Mostrem també que un protocol basat en aquestes propietats podria facilitar la detecció experimental de les FQEEs. Finalment, ens centrem en un règim fortament correlacionat del gas bosònic vestit d’espín-½ en una xarxa òptica unidimensional. Procedint de forma anàloga, veiem com, per acoblaments Raman forts, l’Hamiltonià escrit en termes dels estats vestits de la banda més baixa descriu un sistema d’escala triangular amb flux magnètic escalonat i interaccions locals. Mitjançant aquest senzill mapa, podem predir l’existència de règims de paràmetres on l’Hamiltonià estabilitza fases -- un superfluid, una fase de dímer aïllant i un superfluid quiral-- anàlogues a les que caracteritzen una gran classe de models de Heisenberg en presència de frustració geomètrica. Observem com les fases persisteixen per un ample rang de paràmetres del model original, i discutim la seva potencial realització en experiments capdavanters amb àtoms ultrafreds. Aportem, doncs, un enfocament alternatiu per a la realització de fases magnètiques fortament correlacionades.

Los sistemas de átomos ultrafríos son una excelente plataforma para el desarrollo de la ciencia y las tecnologías cuánticas. Su grado de flexibilidad y la precisión con la que pueden ser manipulados e interrogados con campos electromagnéticos los convierten en un sistema ideal para la simulación de fenómenos cuánticos de muchos cuerpos. Los gases ultrafríos vestidos con luz Raman, dónde estados internos son acoplados mediante la interacción dipolar átomo-luz, son una herramienta prominente para la simulación de campos de gauge y del acoplamiento espín-órbita. En combinación con las interacciones átomo-átomo en el gas, el acoplamiento Raman ofrece una vía prometedora hacia la observación de orden topológico y magnetismo cuántico en gases ultrafríos. En esta tesis consideramos una nueva perspectiva e interpretamos el acoplamiento Raman como una herramienta para diseñar átomos artificiales con propiedades inusuales e interacciones que se pueden modificar con la luz Raman. Mostramos que este procedimiento lo podemos aplicar para describir los regímenes de baja energía tanto de gases con interacción débil como en gases fuertemente interactuantes cargados en redes ópticas. Esta descripción nos permite identificar nuevos fenómenos y proponer protocolos experimentales para poder observarlos. Siguiendo este enfoque, primero estudiamos el gas en el régimen de interacción y acoplamiento débil, dónde exploramos la emergencia y potenciales usos de la dinámica coherente de colisión que cambia el espín, mediada por procesos Raman. Demostramos que, a bajas energías el gas bosónico vestido se puede describir como un grado de espín macroscópico. Este mapa nos permite diseñar dos protocolos para preparar de forma eficiente la fase “stripe” ferromagnética, una fase frágil que exhibe propiedades de supersólido y que ha atraído una atención significativa. A la vez, a través del modelo efectivo podemos identificar nuevas fases cuánticas de estado excitado (FCEEs) en el gas vestido, en correspondencia directa con aquellas conocidas en el mismo sistema sin acoplamiento Raman. Además, las fases en el sistema vestido son más ricas, y están caracterizadas por las propiedades espaciales de la función de onda macroscópica. Mostramos también que un protocolo basado en estas propiedades podría facilitar la detección experimental de las FCEEs. Finalmente, nos enfocamos en un régimen fuertemente correlacionado del gas bósonico vestido de espín-½ en una red óptica unidimensional. Procediendo de manera análoga, vemos como, para acoplamientos Raman fuertes, el Hamiltoniano escrito en términos de los estados vestidos de la banda más baja describe un sistema de escala triangular con flujo magnético escalonado e interacciones locales. Mediante este simple mapa, podemos predecir la existencia de regímenes de parámetros dónde el Hamiltoniano estabiliza fases --un superfluido, una fase de dímero aislante y un superfluido quiral-- análogas a las que caracterizan una gran clase de modelos de Heisenberg en presencia de frustración geométrica. Observamos como las fases persisten por un amplio rango de parámetros del modelo original, y discutimos su potencial realización en experimentos punteros con átomos ultrafríos. Aportamos, de este modo, un planteamiento alternativo para la realización de fases magnéticas fuertemente correlacionadas.

Ultracold atoms provide an excellent platform for quantum science and technology. Their large degree of tunability and controllability achieved by the coupling to electromagnetic fields make them ideal for simulating quantum many-body models. Raman dressing of the atoms, i.e. the coupling of the atomic internal states by Raman light is a prominent tool to simulate synthetic gauge fields and spin-orbit coupling. In interacting gases, the rich interplay between Raman coupling and interatomic interactions promises to lead to the experimental observation of topological order and quantum magnetism. In this thesis, we take a novel perspective and interpret Raman dressing as a tool to engineer artificial atoms with unusual properties and interactions that are tunable with the Raman light. We show that this picture applies to the low-energy description of both weakly interacting bulk gases and strongly interacting ones loaded in optical lattices, and allows for the discovery of novel phenomena and the design of feasible experimental protocols. Following this approach, we first study the weakly-dressed and weakly-interacting spin-1 gas, where we explore the emergence and the harnessing of Raman-induced coherent spin-mixing dynamics. We show that the low-energy landscape of the Raman-dressed Bose gas can be described by a macroscopic spin degree of freedom. Based on this map, we design and benchmark two robust protocols to prepare the ferromagnetic stripe phase, a fragile superfluid phase with supersolid-like properties that has attracted significant attention. At the same time, through the effective model we are able to identify novel excited-state quantum phases (ESQPs) of the Raman-dressed gas that are in correspondence to those found in undressed spinor gases. Remarkably, the phases of the dressed system are richer, being further characterized by the spatial properties of the many-body wavefunction. We show that a detection protocol based on these properties could facilitate the experimental observation of the ESQPs. Finally, we shift our focus to a strongly-correlated regime of a Raman-dressed spin-1/2 Bose gas loaded into a one-dimensional optical lattice. Proceeding in analogous ways, we show that, for strong Raman coupling, the Hamiltonian written in terms of the lowest-band dressed states describes an effective triangular Bose ladder with staggered flux and onsite interactions. Through this simple map, we are able to predict regimes where the Hamiltonian holds three different phases --a superfluid, an insulating bond-ordered-wave and a chiral superfluid-- that are characteristic of a large class of Heisenberg models in the presence of geometric frustration. We find these phases to persist for a wide range of parameters of the original model, and discuss their potential realization in state-of-the-art experiments with ultracold atoms. We provide, thus, an alternative approach to the realization of strongly-correlated magnetic phases.