Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3062
Title: Noisy effects in ultracold atomic gases
Authors: Anderloni, Sebastiano
Supervisore/Tutore: Benatti, Fabio
Benatti, Fabio
Cosupervisore: Floreanini, Roberto
Issue Date: 16-Mar-2009
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: The experimental realization of Bose Einstein Condensates opened the path for a wide range of investigations in physics of ultracold atoms; the peculiar characteristics of these systems and the recent advances in optical confinement technology make them preferred candidates for the implementation of quantum communication and information protocols based on many-body coherent states. In this framework, the dissertation focuses on some consequences that the presence of a weakly coupled external environment has on a system of cold atoms in an optical trap. Typically, the presence of an environment leads to noise and dissipation; whereas the thesis investigates the capability of the environment of mediating an induced interaction between otherwise isolated atoms, making possible the rising of coherence between atoms localized in different sites of the confining potential. The effects of this coherence can be interpreted in terms of an atomic current flowing across the system. Standard open quantum systems methods, mainly related to the weak coupling limit, have been used in order to describe the dissipative dynamics by means of a memoryless master equation. Except for some special cases, this master equation cannot be analitically integrated; therefore, suitable techniques have been used to describe the coherence behaviour at small times, which are of the order of the characteristic times of the dissipative phenomena in the thesis. In detail, the weak coupling limit has been reviewed in the general formalism of open quantum systems; then, after a brief introduction about the physycs of ultracold atoms, the master equation ruling the dissipative dynamics in the presence of a weakly coupled environment, typically a heat bath or a stochastic classical field, has been derived. Two different kinds of coupling have been considered, mainly differing in the conservation of the total number of particles. Having obtained the master equation, which depends on typical phenomenological parameters relative to the environment, the cases in which a dissipative induced current arises as a consequence of the coupling with the environment, have been examined. The effects of this current have been shown to be, in principle, experimentally accessible by looking at absorption images of the freely expanding atomic cloud once the trapping potential has been switched off. From these images it is possible to extract a spatial density profile after the free expansion; the presence of interference fringes in this density profile denotes the presence of coherence in the trapped system. This experimental procedure has been described in the general framework of the quantum measurement theory: from actual experimental evidence, it has been shown that a consistent use of the wave packet reduction principle leads to theoretical predictions for the expected density profile, which are slightly different from the ones commonly used in the literature. These differences have been briefly discussed both theoretically and for their possible experimental relevance.
La realizzazione sperimentale di condensati di Bose-Einstein ha inaugurato un ampio settore di studi nell'ambito della fisica dei gas di atomi ultrafreddi anche dal punto di vista teorico; le loro particolari caratteristiche, unite allo sviluppo delle tecnologie di confinamento di molti atomi in reticoli ottici, ne fanno degli ottimi candidati per l'applicazione di alcuni protocolli di comunicazione ed informazione quantistica basati sulla costruzione di stati coerenti a molti corpi. Il lavoro di tesi parte da questo contesto e si concentra su alcune conseguenze della presenza di un ambiente esterno in interazione con un sistema di atomi freddi confinati in potenziali ottici. Tipicamente, la presenza di un ambiente da' luogo ad effetti di rumore e dissipazione; la tesi studia invece la possibilita' che esso medi un'interazione tra atomi altrimenti isolati, rendendo in alcuni casi possibile la generazione di coerenza tra atomi localizzati nei siti costituenti il potenziale confinante, coerenza che si manifesta in maniera sperimentalmente rilevabile per mezzo di una corrente di materia. Le tecniche utilizzate si rifanno alla teoria dei sistemi quantistici aperti, ed in particolare al limite di accoppiamento debole, grazie al quale e' possibile descrivere la dinamica dissipativa tramite un'equazione master priva di effetti di memoria. Tranne che in casi molto particolari, non e' possibile integrare analiticamente l'equazione master; sono percio' state utilizzate delle tecniche in grado di rivelare il comportamento della coerenza per tempi sufficientemente brevi, quali quelli tipici dei fenomeni dissipativi studiati in questa tesi. In dettaglio, nella tesi e' stata introdotta dapprima la teoria del limite di accoppiamento debole nell'opportuno formalismo dei sistemi quantistici aperti; quindi, dopo una breve introduzione della fisica degli atomi freddi confinati in potenziali ottici, e' stata ricavata l'equazione master che ne determina l'evoluzione dissipativa quando questi sono debolmente accoppiati ad un ambiente esterno, tipicamente un bagno termico oppure un campo stocastico classico. Sono stati considerati due possibili esempi di accoppiamento, i quali differiscono tra loro per la conservazione e non del numero totale di atomi. Una volta ricavata l'equazione master, caratterizzata da specifici parametri fenomenologici relativi all'ambiente, sono stati studiati i casi in cui a questi corrisponde una corrente quantistica tra i siti del potenziale ottico confinante. Gli effetti di tale corrente sono stati dimostrati essere in linea di principio sperimentalmente accessibili tramite immagini di assorbimento ottenute illuminando le nuvole atomiche liberate dal confinamento.Da queste si ottengono misure di densita' spaziale che evidenziano, tramite frange di interferenza, l'eventuale presenza di coerenza di fase. Queste procedure sperimentali sono state descritte per mezzo della teoria quantistica della misura: in base alle evidenze sperimentali finora acquisite, e' stato mostrato che un utilizzo consistente delle tecniche relative alla riduzione del pacchetto d'onda porta ad una predizione teorica per il profilo di densita' spaziale formalmente diversa da quella comunemente utilizzata in letteratura. Questa differenza e' stata brevemente discussa sia per quanto riguarda il suo aspetto teorico che per la sua possibile rilevanza sperimentale.
Ciclo di dottorato: XXI Ciclo
metadata.dc.subject.classification: FISICA
Description: 2007/2008
Keywords: Ultracold atoms
Open quantum systems
Quantum information
Dissipative dynamics
Noise induced coherence
Complete positivity
Entanglement
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: FIS/02 FISICA TEORICA, MODELLI E METODI MATEMATICI
NBN: urn:nbn:it:units-7387
Appears in Collections:Scienze fisiche

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