Ultracold atoms carrying orbital angular momentum

A causa de la gran flexibilitat que ofereixen en la seva manipulació i control, els sistemes d’àtoms ultrafreds són ideals per simular un ampli ventall de models de matèria condensada i constitueixen una plataforma molt prometedora per a la implementació de noves tecnologies quàntiques. En aquest context, l’atomtrònica s’ha establert recentment com un nou camp de recerca que té per objectiu crear circuits d’ones de matèria amb àtoms ultrafreds en micro trampes òptiques versàtils, amb el doble propòsit d’explorar nous fenòmens físics i de construir dispositius quàntics com ara sensors o ordinadors. Els circuits atomtrònics més senzills estan formats per potencials en forma d’anell, els quals proporcionen camins tancats pels àtoms que admeten de manera natural estats de Moment Angular Orbital (MAO). Inspirats per aquests avenços, en aquesta tesi investiguem diversos sistemes que comparteixen la característica d’estar formats per àtoms ultrafreds en estats amb MAO en potencials amb simetria cilíndrica. El nostre interès es centra en tres aspectes dels estats amb MAO: el seu potencial per fabricar sensors, les seves aplicacions en la simulació de models de magnetisme quàntic, i les possibilitats que ofereixen per obtenir estats topològics. Primerament, considerem un Condensat de Bose-Einstein (CBE) atrapat en un únic potencial en forma d’anell i preparat en una superposició d’estats amb MAO que roten en direccions oposades. El perfil d’aquesta superposició mostra una línia de mínima densitat que gira a causa de la interacció no lineal entre els àtoms. Després de derivar una expressió que relaciona la freqüència d’aquesta rotació amb la força de les interaccions, proposem protocols que permeten fer servir el sistema com un sensor d’interaccions a dos cossos, camps magnètics i rotacions. A continuació, explorem diferents configuracions de potencials acoblats lateralment en les quals els àtoms ultrafreds experimenten una dinàmica d’efecte túnel governada per amplituds complexes amb fases que es poden variar modificant la geometria del sistema. En primer lloc, estudiem una xarxa en forma de cadena de diamant carregada amb àtoms no interactuants en estats amb MAO. En aquest sistema, les fases de les amplituds d’efecte túnel complexes donen lloc a una estructura de bandes topològica amb els seus corresponents estats de vora. A més, ajustant de manera adequada les amplituds d’efecte túnel es pot obtenir un espectre d’energies composat únicament de bandes planes. En a