Shape of a sound wave in a weakly-perturbed Bose gas

We employ the Gross-Pitaevskii equation to study acoustic emission generated in a uniform Bose gas by a static impurity. The impurity excites a sound-wave packet, which propagates through the gas. We calculate the shape of this wave packet in the limit of long wave lengths, and argue that it is possible to extract properties of the impurity by observing this shape. We illustrate here this possibility for a Bose gas with a trapped impurity atom -- an example of a relevant experimental setup. Presented results are general for all one-dimensional systems described by the nonlinear Schr\"odinger equation and can also be used in nonatomic systems, e.g., to analyze light propagation in nonlinear optical media. Finally, we calculate the shape of the sound-wave packet for a three-dimensional Bose gas assuming a spherically symmetric perturbation.Comment: 17 pages, 5 figures; a SciPost submissio

Multi-robot deployment planning in communication-constrained environments

A lo largo de los últimos años se ha podido observar el aumento del uso de equipos de robots en tareas en las cuales es imposible o poco eficiente la intervención de los humanos, e incluso que implica un cierto grado de riesgo para una persona. Por ejemplo, monitorización de entornos de difícil acceso, como podrían ser túneles, minas, etc. Éste es el tema en el que se ha enfocado el trabajo realizado durante esta tesis: la planificación del despliegue de un equipo de agentes para la monitorización de entornos.La misión de los agentes es alcanzar unas localizaciones de interés y transmitirle la información observada a una estación base estática. Ante la ausencia de una infraestructura de comunicaciones, una transmisión directa a la base es imposible. Por tanto, los agentes se deben coordinar de manera autónoma, de modo que algunos de ellos alcancen los objetivos y otros realicen la función de repetidor para retransmitir la información.Nos hemos centrado en dos líneas de investigación principales, relacionadas con dos maneras del envío de la información a la estación base. En el primer enfoque, los agentes deben mantener un enlace de comunicación con la base en el momento de alcanzar los objetivos. Con el fin de, por ejemplo, poder interactuar desde la base con un robot que ha alcanzado el objetivo. Para ello hemos desarrollado un método que obtiene las posiciones óptimas para los agentes utilizados a modo de repetidor. A continuación, hemos implementado un método de planificación de caminos de modo que los agentes pudiesen navegar el máximo tiempo posible dentro de zonas con señal. Empleando conjuntamente ambos métodos, los agentes extienden el área de cobertura de la estación base, estableciendo un enlace de comunicación desde la misma hasta los objetivos marcados.Utilizando este método, el equipo es capaz de lidiar con variaciones del entorno si la comunicación entre los agentes no se pierde. Sin embargo, los eventos tan comunes e irrelevantes para los seres humanos, como el simple cierre de una puerta, pueden llegar a ser críticos para el equipo de robots. Ya que esto podría interrumpir la comunicación entre el equipo. Por ello, hemos propuesto un método distribuido para que el equipo sea capaz de reconectarse, formando una cadena hacia un objetivo, en escenarios donde haya variaciones con respecto al mapa inicial que poseían los robots.La segunda parte de la presente tesis se ha centrado en misiones de recopilación de datos de un entorno. Aquí la comunicación con la estación base, en el instante de alcanzar un objetivo, no es necesaria y a menudo imposible. Por tanto, en este tipo de escenarios, es más eficiente que algunos agentes, llamados trabajadores, recopilen datos del entorno, y otros, denominados colectores, reúnan la información de los que trabajan para periódicamente retransmitirla a la base. De este modo tan solo los colectores realizan largos viajes a la estación base, mientras que los trabajadores emplean la mayor parte de su tiempo exclusivamente a la recopilación de datos.Primero, hemos desarrollado dos métodos para la planificación de caminos para la sincronización entre los trabajadores y colectores. El primero, muestrea el espacio de manera aleatoria, para obtener una solución lo más rápido posible. El segundo, usando FMM, es más lento, pero obtiene soluciones óptimas.Finalmente, hemos propuesto una técnica global para la misión de recopilación de datos. Este método consiste en: encontrar el mejor balance entre la cantidad de trabajadores y colectores, la mejor división del escenario en áreas de trabajo para los trabajadores, la asociación de los trabajadores para transmitir los datos recopilados a los colectores o directamente a la estación base, así como los caminos de los colectores. El método propuesto trata de encontrar la mejor solución con el fin de entregar la mayor cantidad de datos y que el tiempo de "refresco" de los mismos sea el menor posible.<br /

Repulsively interacting fermions in a two-dimensional deformed trap with spin-orbit coupling

We investigate a two-dimensional system of with two values of the internal (spin) degree of freedom. It is confined by a deformed harmonic trap and subject to a Zeeman field, Rashba or Dresselhaus one-body spin-orbit couplings and two-body short range repulsion. We obtain self-consistent mean-field $N$-body solutions as functions of the interaction parameters. Single-particle Spectra and total energies are computed and compared to the results without interaction. We perform a statistical analysis for the distributions of nearest neighbor energy level spacings and show that quantum signatures of chaos are seen in certain parameters regimes. Furthermore, the effects of two-body repulsion on the nearest neighbor distributions are investigated. This repulsion can either promote or destroy the signatures of potential chaotic behavior depending on relative strengths of parameters. Our findings support the suggestion that cold atoms may be used to study quantum chaos both in the presence and absence of interactions.Comment: 12 pages, 9 figures, revised versio

Benchmarking microbial DNA enrichment protocols from human intestinal biopsies.

Shotgun metagenomic sequencing is a powerful tool for studying bacterial communities in their natural habitats or sites of infection, without the need for cultivation. However, low microbial signals in metagenomic sequencing can be overwhelmed by host DNA contamination, resulting in decreased sensitivity for microbial read detection. Several commercial kits and other methods have been developed to enrich bacterial sequences; however, these assays have not been tested extensively for human intestinal tissues yet. Therefore, the objective of this study was to assess the effectiveness of various wet-lab and software-based approaches for depleting host DNA from microbiome samples. Four different microbiome DNA enrichment methods, namely the NEBNext Microbiome DNA Enrichment kit, Molzym Ultra-Deep Microbiome Prep, QIAamp DNA Microbiome kit, and Zymo HostZERO microbial DNA kit, were evaluated, along with a software-controlled adaptive sampling (AS) approach by Oxford Nanopore Technologies (ONT) providing microbial signal enrichment by aborting unwanted host DNA sequencing. The NEBNext and QIAamp kits proved to be effective in shotgun metagenomic sequencing studies, as they efficiently reduced host DNA contamination, resulting in 24% and 28% bacterial DNA sequences, respectively, compared to <1% in the AllPrep controls. Additional optimization steps using further detergents and bead-beating steps improved the efficacy of less efficient protocols but not of the QIAamp kit. In contrast, ONT AS increased the overall number of bacterial reads resulting in a better bacterial metagenomic assembly with more bacterial contigs with greater completeness compared to non-AS approaches. Additionally, AS also allowed for the recovery of antimicrobial resistance markers and the identification of plasmids, demonstrating the potential utility of AS for targeted sequencing of microbial signals in complex samples with high amounts of host DNA. However, ONT AS resulted in relevant shifts in the observed bacterial abundance, including 2 to 5 times more Escherichia coli reads. Furthermore, a modest enrichment of Bacteroides fragilis and Bacteroides thetaiotaomicron was also observed with AS. Overall, this study provides insight into the efficacy and limitations of various methods for reducing host DNA contamination in human intestinal samples to improve the utility of metagenomic sequencing

Computation of local exchange coefficients in strongly interacting one-dimensional few-body systems: local density approximation and exact results

One-dimensional multi-component Fermi or Bose systems with strong zero-range interactions can be described in terms of local exchange coefficients and mapping the problem into a spin model is thus possible. For arbitrary external confining potentials the local exchanges are given by highly non-trivial geometric factors that depend solely on the geometry of the confinement through the single-particle eigenstates of the external potential. To obtain accurate effective Hamiltonians to describe such systems one needs to be able to compute these geometric factors with high precision which is difficult due to the computational complexity of the high-dimensional integrals involved. An approach using the local density approximation would therefore be a most welcome approximation due to its simplicity. Here we assess the accuracy of the local density approximation by going beyond the simple harmonic oscillator that has been the focus of previous studies and consider some double-wells of current experimental interest. We find that the local density approximation works quite well as long as the potentials resemble harmonic wells but break down for larger barriers. In order to explore the consequences of applying the local density approximation in a concrete setup we consider quantum state transfer in the effective spin models that one obtains. Here we find that even minute deviations in the local exchange coefficients between the exact and the local density approximation can induce large deviations in the fidelity of state transfer for four, five, and six particles.Comment: 12 pages, 7 figures, 1 table, final versio