Simulating a topological gauge theory in a Raman-dressed Bose-Einstein condensate
Authors:   , Frölian Anika 
Published: October 2023

Ultracold quantum gases constitute a powerful and versatile tool to experimentally explore quantum many-body physics. This thesis presents an original contribution to the quantum simulation of gauge theories with ultracold atoms, which has evolved into a thriving research field during the last years. Gauge theories form the basis of our modern understanding of nature, with applications ranging from high energy to condensed matter physics. A subclass formed by topological gauge theories plays a key role in the effective description of certain strongly correlated materials. An important example is the fractional quantum Hall effect, where the topological Chern-Simons theory can provide an effective single-particle description for some of the filling factors. A simpler toy model which already provides access to the key properties of topological gauge theories is the one-dimensional chiral BF theory obtained from Chern-Simons theory after dimensional reduction.

This thesis reports on the quantum simulation of the chiral BF theory in an ultracold gas of bosonic potassium atoms, establishing ultracold quantum gases as a resource for the quantum simulation of topological gauge theories. As a first step, we establish the theoretical framework necessary for the quantum simulation of the chiral BF theory. We start by deriving an encoded Hamiltonian for this gauge theory in which the gauge degrees of freedom are eliminated via the local symmetry constraint. The encoding results in a system with only matter particles that have local but unconventional chiral interactions. We continue by showing that these chiral interactions can be realized in a Raman-dressed Bose-Einstein condensate (BEC) with unbalanced interactions by deriving an effective single-component Hamiltonian from a microscopic view in momentum space.

Subsequently, we present the implementation of the different ingredients necessary to realize the chiral BF theory in our experiment. In a first series of experiments, we study the effects of coherent coupling on the effective collisional properties of the system. To this end, we employ radio-frequency to couple two internal states with unequal interaction in a 39K BEC. We measure the effective scattering length of the system as a function of the coupling field parameters. Moreover, we use the coherent coupling as an interaction control tool and quench the effective interactions from repulsive to attractive values. Afterwards, we turn to the implementation of Raman coupling and characterize the modifications in the dispersion of Raman-dressed atoms at the single particle level. Finally, we demonstrate the realization of the chiral BF theory by combining Raman coupling and unbalanced interactions in a BEC of 39K. We probe the chiral interactions arising in the system and observe the formation of chiral bright solitons which dissolve as soon as their propagation direction is inverted. Moreover, we use the local symmetry constraint of the theory to reveal the BF electric field through measurements on the matter field alone, and show that it leads to an asymmetric expansion of the condensate. Our experiments establish chiral interactions as a novel resource for quantum simulation experiments and pave the way towards implementing topological gauge theories in higher dimensions with ultracold atoms.

Los gases cuánticos ultrafríos constituyen una herramienta poderosa y vers átil para explorar experimentalmente la física cuántica de muchos cuerpos. Esta tesis presenta una contribución original a la simulación cuántica de las teorías gauge con átomos ultrafríos, que se ha convertido en un floreciente campo de investigación durante los últimos años. Las teorías gauge constituyen la base de nuestra comprensión moderna de la naturaleza, con aplicaciones que van desde la física de alta energía hasta la de materia condensada. Una subclase formada por las teorías gauge topológicas desempeña un papel clave en la descripción efectiva de ciertos materiales fuertemente correlacionados. Un ejemplo importante es el efecto Hall cuántico fraccionario, en el que la teoría topológica de Chern-Simons puede proporcionar una descripción efectiva de una sola partícula para algunos de los factores de relleno. Un modelo más sencillo que ya proporciona acceso a las propiedades clave de las teorías gauge topológicas es la teoría BF quiral unidimensional obtenida a partir de la teoría de Chern-Simons tras la reducción dimensional. Esta tesis reporta sobre la simulación cuántica de la teoría BF quiral en un gas ultrafrío de átomos bosónicos de potasio, estableciendo los gases cuánticos ultrafríos como un recurso para la simulación cuántica de teorías gauge topológicas. Como primer paso, establecemos el marco teórico necesario para la simulación cuántica de la teoría BF quiral. Comenzamos derivando un Hamiltoniano codificado para esta teoría gauge en la que los grados de libertad gauge se eliminan a través de la restricción de simetría local. La codificación da como resultado un sistema con sólo partículas de materia que tienen interacciones quirales locales pero no convencionales. Continuamos mostrando que estas interacciones quirales pueden realizarse en un condensado de Bose-Einstein (BEC) con acoplamiento Raman y con interacciones desequilibradas, derivando un Hamiltoniano efectivo de una solo componente desde una visión microscópica en el espacio de momentos. Posteriormente, presentamos la implementación de los diferentes ingredientes necesarios para realizar la teoría BF quiral en nuestro experimento. En una primera serie de experimentos, estudiamos los efectos del acoplamiento coherente sobre las propiedades colisionales efectivas del sistema. Para ello, empleamos radiofrecuencia para acoplar dos estados internos con interacci ón desigual en un condensado de potasio-39. Medimos la longitud de dispersión efectiva del sistema en función de los parámetros del campo de acoplamiento. Además, utilizamos el acoplamiento coherente como herramienta de control de la interacci ón y cambiamos súbitamente las interacciones efectivas desde valores repulsivos hasta atractivos. Posteriormente, pasamos a la implementación del acoplamiento Raman y caracterizamos las modificaciones en la dispersi ón de los átomos con acoplamiento Raman a nivel de una sola partícula. Finalmente, demostramos la realización de la teoría BF quiral combinando el acoplamiento Raman y las interacciones desequilibradas en un BEC de potasio-39. Investigamos las interacciones quirales que surgen en el sistema y observamos la formación de solitones brillantes quirales que se disuelven en cuanto se invierte su dirección de propagación. Además, utilizamos la restricción de simetría local de la teoría para revelar el campo eléctrico BF a través de mediciones en el campo de la materia solamente, y mostramos que conlleva a una expansión asimétrica del condensado. Nuestros experimentos establecen las interacciones quirales como un recurso novedoso para los experimentos de simulación cuántica y establecen las bases para la implementación de teorías gauge topológicas en dimensiones superiores con átomos ultrafríos.