Measuring the temperature of a gas in the micro-Kelvin regime

O desenvolvimento científico nos permite trabalhar hoje com gases em temperaturas muito inferiores aos 10-6 K. Estes gases, uma vez obtidos por técnicas de resfriamento óptico, precisam ser caracterizados com relaçãao às suas propriedades termodinâmicas. a a medida da temperatura. Dentre tais propriedades está a medida da temperatura. Neste trabalho mostramos de forma tutorial como são medidas tais baixas temperaturas, através de técnicas de tempo de voo. Tais técnicas combinam conhecimento básico de mecânica, termodinâmica dentre outros tópicos convencionalmente estudados nos cursos básicos de física.Scientific development allows us to work today with gas at temperatures far below the 10(-6) K. These gases are obtained by optical cooling techniques and need to be characterized for their thermodynamic properties. Among these properties is the temperature measurement. We show in a tutorial how low temperatures are measured using techniques called time of flight. These techniques combine basic knowledge of mechanics, thermodynamics, among other topics conventionally studied in the basic physics course

Avaliação da distribuição espacial de fluidos quânticos e sua caracterização

Bose-Einstein Condensates (BEC) are excellent macroscopic samples quantum behavior of matter study. Since it was experimentally observed in dilute atomic gases, there are important properties related to these systems that were intensely explored, as thermodynamic properties and BEC dynamics both in stationary and turbulent regime. In this work we present and discuss the results and properties determined from Bose-Einstein Condensed time-of-flight images processed using algorithms capable of extract relevant information from atomic density fluctuations observed in this kind of sample. Based on advanced data process we can go beyond the standard results, already presented, and obtain linear momentum maps, density fluctuations and correlations, vortices properties, as well as develop other analysis types to characterization and understanding improve results obtained in turbulent regime, besides other related properties. In this way, we developed specialized data processing library to be used in the general analyses and also to the determination of non-trivial properties, which are essential for the future study of quantum degenerate turbulent gases, with a three-dimensional atomic cloud reconstruction method from three non-orthogonal absorption images obtained from experimentally acquired time-of-flight images. In order to accomplish this we have used \"three-dimensional inverse Radon Transform\", analogous to tomography in the two-dimensional case, however, unlike the indetermination theorem requirement, that the number of images be large enough, we have just a few of them. This issue is lessened, but not solved, using an iterative correction method.Condensados de Bose-Einstein (BEC) são sistemas macroscópicos excelentes para o estudo do comportamento quântico da matéria. Desde sua obtenção experimental em gases atômicos alcalinos diluídos aprisionados por campos magnéticos, há importantes aspectos relacionados a esse sistema que foram intensamente explorados, como propriedades termodinâmicas e dinâmica do BEC tanto em regime estacionário quanto em regime turbulento. Neste trabalho apresentamos e discutimos os resultados e propriedades de turbulência em condensados de Bose-Einstein determinadas a partir de imagens de tempo de voo e processadas usando algoritmos complexos capazes de extrair informações relevantes das flutuações de densidade atômica observadas nesse tipo de amostra. Baseando-nos em processamento avançado somos capazes de ir além dos resultados padrões, já apresentados, e determinar mapas de momentum linear, flutuações de densidade e correlações, propriedades de vórtices, assim como desenvolver outros tipos de análise, para ajudar em uma melhor caracterização e entendimento dos resultados obtidos em regime turbulento, além de outras propriedades relacionadas. Nesse sentido, desenvolvemos uma biblioteca de processamento especializada para ser usada nas análises e na determinação de propriedades não triviais, que são essenciais para o futuro da pesquisa de gases turbulentos degenerados, com foco principal em um método para a reconstrução tridimensional de uma nuvem atômica partindo de três imagens não ortogonais de absorção capturadas em tempo de vôo. Para isso usamos a \"transformada inversa de Radon (princípio da tomografia computadorizada) tridimensional\", porém, ao contrário do que exige o teorema da indeterminação, que estabelece que a quantidade de imagens necessárias seja suficientemente grande, temos poucas delas. Tal problema é amenizado, mas não solucionado, usando métodos de correções iterativas

Bose-Einstein condensate dynamics with solitons

Condensados de Bose-Einstein (BEC) são sistemas macroscópicos excelentes para a observação do comportamento quântico da matéria. Desde sua obtenção experimental em gases atômicos alcalinos diluídos aprisionados por campos magnéticos, há importantes aspectos relacionados a esse sistema que foram intensamente explorados, como os modos coletivos do BEC harmonicamente aprisionado, seu tunelamento através de barreiras de potencial e os estados excitados desse sistema, incluindo vórtice e sóliton. O último consiste de pacote de onda localizado, que propaga sem mudança de forma. Nesse trabalho, investigamos os novos aspectos que surgem da dinâmica de um sistema composto (condensado aprisionado contendo um sóliton). Há muitos estudos tratando cada parte separadamente: estado fundamental do BEC ou um sóliton em um BEC infinito uniforme estacionário. Estamos nos baseando nessas análises prévias, além da simulação numérica de campo médio do nosso sistema submetido a diferentes condições iniciais (BEC aprisionado no mínimo do potencial harmônico ou BEC deslocado na armadilha contendo um sóliton, além de uma deformação no potencial) para caracterizar a dinâmica desse sistema. Alguns dos nossos resultados puderam ser explicados por meio de predições analítica da chamada aproximação de Thomas-Fermi. Ao final, comparamos as simulações de campo médio (equação de Gross-Pitaevskii) com as advindas da teoria de múltiplos orbitais a fim de justificar o regime de validade da nossa teoria.Bose-Einstein Condensates (BEC) are excellent macroscopic systems to observe the quantum behavior of matter. Since it experimental production in dilute atomic alkali gases trapped by magnetic fields, there are important aspects related to this system that have been intensely explored, like the collective modes of the harmonically trapped BEC, its tunneling through a potential barrier and the excited states of this system, that include the vortex and soliton. The latter consist of localized disturbances, which propagate without change of form. In this work, we investigate the singular aspects that coming from the dynamics of a composite system (trapped BEC containing a soliton). There are many studies that treat each part separately, that include a fundamental state BEC or a soliton inside a uniform infinite extent stationary BEC. We are basing on these previous analyses, besides mean-field numeric simulating our particular system submitted to diferent initial conditions (minimum harmonic potential trapped BEC or dislocated trapped BEC plus a soliton, in addition to a deformation in the potential) to characterize the tunneling dynamics. Some of our results could be explained using analytical predictions of the so called Thomas-Fermi approximation. At the end, we compar the meanfield simulations (Gross-Pitavskii equation) with the simulations from the multiple orbitals theory to justify the validity regime of our theory