Tesis doctoral de Riccardo Rota
Varias teorías microscópicas muestran que la condensación de bose-einstein (bec), o sea la ocupación macroscópica del estado de mínima energía en sistemas de muchos bosones, puede aparecer en líquidos y sólidos cuánticos y que está en el origen del fenómeno de la superfluidez. Sin embargo, la conexión entre la bec y la superfluidez es todavía tema de debate, ya que las evidencias experimentales de una fracción de condensado finita en el helio superfluido sólo son indirectas. en el estudio teórico de la bec en líquidos y sólidos cuánticos, los métodos perturbativos son inaplicables, debido a las fuertes correlaciones entre los átomos, que surgen tanto de la interacción atómica como de la naturaleza cuántica del sistema. El uso de simulaciones microscópicas permite una descripción precisa de estos sistemas. En particular, el método path integral monte carlo (pimc) es muy adecuado. Este método es capaz de generar resultados exactos de las propiedades del sistema cuántico, tanto a temperatura cero como a temperatura finita, sólo con la definición del hamiltoniano y de las propiedades de simetría del sistema y, sobre todo, da una imagen sencilla de la superfluidez y de la bec en sistemas de muchos bosones. en esta tesis, aplicamos métodos pimc al estudio de varios líquidos y sólidos cuánticos. Describimos en detalle todas las características del pimc, desde los métodos de muestreo hasta los estimadores de las propiedades físicas. Presentamos también las técnicas más recientes, como las aproximaciones de orden superior de la matriz de densidad térmica y el worm algorithm, que se utilizan en pimc para realizar simulaciones fiables. estudiamos la fase líquida de 4he, proporcionando estimaciones exactas de la matriz de densidad de un cuerpo g1(r). Analizamos el modelo para g1(r) que se utiliza para ajustar los datos experimentales, destacando sus méritos y sus defectos. En particular, vemos que, aunque presenta algunas dificultades en la descripción del comportamiento global de g1(r), puede proporcionar una estimación precisa de la energía cinética y de la fracción de condensado n0 del sistema. Además, mostramos nuestro resultado para n0 en función de la presión del líquido, obteniendo un buen acuerdo con los resultados experimentales más recientes. el estudio de la fase sólida de 4he es la parte más importante de esta tesis. La reciente observación de efectos de inercia rotacional no clásica (ncri) en helio sólido ha generado gran interés en el estudio de una eventual fase supersólida, caracterizada por la simultaneidad de orden cristalino y superfluidez. Hasta ahora ha sido imposible dar un modelo teórico capaz de describir todas las evidencias experimentales. En este trabajo, realizamos simulaciones pimc de 4he a altas densidades, con diferentes configuraciones microscópicas de los átomos. En los cristales perfectos, vemos que la bec no aparece y que este modelo es capaz de reproducir la distribución de los momentos obtenida en experimentos de dispersión de neutrones. En el cristal con vacantes, hemos sido capaces de ver una transición a la fase superfluida a una temperatura cercana a la observada en los resultados experimentales si la concentración de vacantes es suficientemente baja. En los sólidos amorfos, los efectos de superfluidez son más evidentes, pero aparecen a temperaturas superiores a la estimación experimental de la temperatura de transición. finalmente, estudiamos configuraciones desordenadas metaestables en para-hidrógeno molecular a baja temperatura. El objetivo de este estudio es investigar si un líquido de bose diferente del helio puede mostrar superfluidez. Eligiendo con precisión la configuración inicial y las dimensiones de la caja de simulación, hemos sido capaces de frustrar la formación del cristal y calcular la dependencia de la densidad superfluida con la temperatura, mostrando una transición a la fase superfluida a temperaturas cercanas a 1 k.
Datos académicos de la tesis doctoral «Path integral monte carlo and bose-einstein condensation in quantum fluids and solids«
- Título de la tesis: Path integral monte carlo and bose-einstein condensation in quantum fluids and solids
- Autor: Riccardo Rota
- Universidad: Politécnica de catalunya
- Fecha de lectura de la tesis: 20/12/2011
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Jordi Boronat Medico
- Tribunal
- Presidente del tribunal: artur Polls martí
- stefano Giorgini (vocal)
- claudio Cazorla silva (vocal)
- davide Emilio Galli (vocal)