Many-body approach to the BCS-BEC crossover for an imbalanced ultra-cold Fermi gas

The aim of this thesis is the study of the normal phase of a mass imbalanced and polarized ultra-cold Fermi gas in the context of the BCS-BEC crossover, using a diagrammatic approach known as t-matrix approximation. More specifically, the calculations are implemented using the fully self-consistent t-matrix (or Luttinger- Ward) approach, which is already experimentally and numerically validated for the balanced case. An imbalance (polarization) between the two spin populations works against pairing and superfluidity. For sufficiently large polarization (and not too strong attraction) the system remains in the normal phase even at zero temperature. This phase is expected to be well described by the Landau’s Fermi liquid theory. By reducing the spin polarization, a critical imbalance is reached where a quantum phase transition towards a superfluid phase occurs and the Fermi liquid description breaks down. Depending on the strength of the interaction, the exotic superfluid phase at the quantum critical point (QCP) can be either a FFLO phase (Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov) or a Sarma phase. In this regard, the presence of mass imbalance can strongly influence the nature of the QCP, by favouring one of these two exotic types of pairing over the other, depending on whether the majority of the two species is heavier or lighter than the minority. The analysis of the system is made by focusing on the temperature-coupling-polarization phase diagram for different mass ratios of the two components and on the study of different thermodynamic quantities at finite temperature. The evolution towards a non-Fermi liquid behavior at the QCP is investigated by calculating the fermionic quasi-particle residues, the effective masses and the self-energies at zero temperature.

Competition between boson condensation and molecule formation in 2D Bose-Fermi mixtures with a pairing interaction

The study of ultra-cold atomic gases is one of the most active field in contemporary physics. The main motivation for the interest in this field consists in the possibility to use ultracold gases to simulate in a controlled way quantum many-body systems of relevance to other fields of physics, or to create novel quantum systems with unusual physical properties. An example of the latter are Bose-Fermi mixtures with a tunable pairing interaction between bosons and fermions. In this work, we study with many-body diagrammatic methods the properties of this kind of mixture in two spatial dimensions, extending previous work for three dimensional Bose-Fermi mixtures. At zero temperature, we focus specifically on the competition between boson condensation and the pairing of bosons and fermions into molecules. By a numerical solution of the main equations resulting by our many-body diagrammatic formalism, we calculate and present results for several thermodynamic quantities of interest. Differences and similarities between the two-dimensional and three-dimensional cases are pointed out. Finally, our new results are applied to discuss a recent proposal for creating a p-wave superfluid in Bose-Fermi mixtures with the fermionic molecules which form for sufficiently strong Bose-Fermi attraction.

Ultracold Bose-Fermi mixtures with pairing: quantum phase transition, mechanical stability, and trap confinement

Ultracold dilute gases occupy an important role in modern physics and they are employed to verify fundamental quantum theories in most branches of theoretical physics. The scope of this thesis work is the study of Bose-Fermi (BF) mixtures at zero temperature with a tunable pairing between bosons and fermions. The mixtures are treated with diagrammatic quantum many-body methods based on the so-called T-matrix formalism. Starting from the Fermi-polaron limit, I will explore various values of relative concentrations up to mixtures with a majority of bosons, a case barely considered in previous works. An unexpected quantum phase transition is found to occur in a certain range of BF coupling for mixture with a slight majority of bosons. The mechanical stability of mixtures has been analysed, when the boson-fermion interaction is changed from weak to strong values, in the light of experimental results recently obtained for a double-degenerate Bose-Fermi mixture of 23 Na - 40 K. A possible improvement in the description of the boson-boson repulsion based on Popov's theory is proposed. Finally, the effects of a harmonic trapping potential are described, with a comparison with the experimental data for the condensate fraction recently obtained for a trapped 23 Na - 40 K mixture.

Ricerca dell'emissione alle alte energie da parte delle radio galassie fri e frii

Lo scenario di unificazione degli AGN caratterizza le molteplici proprietà di questi oggetti in termini del differente angolo di vista rispetto ad un sistema costituito da un toro oscurante, un disco di accrescimento che alimenta il SMBH e nubi di gas che circondano il buco nero. Circa il 10% degli AGN sono forti sorgenti radio. Questi oggetti, detti AGN Radio-Loud, sono caratterizzati da getti relativistici emessi trasversalmente rispetto al disco di accrescimento e comprendono le radio galassie e i blazar. In accordo con il modello unificato, le radio galassie (MAGN), rappresentano i blazar visti a grandi angoli di inclinazione del getto rispetto alla linea di vista. Nei blazar la radiazione emessa dai getti su scale del pc viene amplificata da effetti relativistici dando origine a spettri piatti con elevata polarizzazione ottica e forte variabilità. Questi oggetti rappresentano le sorgenti più brillanti identificate nel cielo gamma extragalattico. I MAGN, a differenza dei blazar, mostrano spettri ripidi e strutture radio quasi simmetriche. In queste sorgenti, l'effetto del Doppler boosting è meno evidente a causa del grande angolo di inclinazione del getto. In soli 3 mesi di osservazioni scientifiche effettuate con il satellite Fermi è stata rivelata emissione gamma da parte delle radio galassie NGC 1275 e Cen A. I MAGN rappresentano una nuova classe di sorgenti gamma. Tuttavia, il numero di radio galassie rivelate è sorprendentemente piccolo ponendo degli interrogativi sui meccanismi di emissione alle alte energie di questi oggetti. Nel presente lavoro di tesi, si analizzeranno i dati gamma raccolti dal LAT durante i primi 5 anni di osservazioni scientifiche per un campione di 10 radio galassie più brillanti selezionate dai cataloghi B2 e BCS. L'obiettivo principale sarà migliorare la statistica e cercare di comprendere la natura dell'emissione alle alte energie da parte delle radio galassie.

Sintesi di PNA a libertà conformazionale ridotta

The present work started a research project aimed at the synthesis of conformationally “locked” PNA (Peptide Nucleic Acids) monomers. Compared to classic aeg-PNA, this structural modification would result in an improvement in the pairing properties with natural nucleic acids, due to entropic variations in the process. Specifically, an attempt was made to build a PNA monomer around a β-lactam ring. That ring could be imagined as obtained by linking the methylene groups in α position of both the nucleobase and the carboxyl function. These structural properties would imply pre-organization of the final oligomer, improving the pairing process in biological systems. The first step of this work was the investigation of the Staudinger reaction for the ciclization of the lactam ring, and in particular the activation method of the carboxylic group of the nucleobase derivatives. Use of triazine chloride led to the synthesis of the adenine-based β-lactam-PNA. Attempts to synthesize the same monomer based on cytosine, guanine and thymine were unsuccessful, so alternative methods for carboxylic group activation were investigated. Conversion of carboxylic acids to acyl chlorides led to a partial result: despite the method worked well with analogues of the final reactants, it didn’t worked with substrates needed for lactam based PNAs. Search for a valid activation process continued involving carbonyl diimidazole, Mukayama reagent, and LDA (with methylester derivative of nucelobase) without good results. Last, it was investigated a different synthetic approach by first synthesizing a proper backbone with a chlorine in the β- lactam ring. This chlorine ring should undergo substitution by a nucleobase anion to give the desired PNA monomer. Unluckily also this synthetic route didn’t lead to the desired monomers.

One dimensional extended Hubbard model: two-particle bound states and resonances.

In questo lavoro di tesi è stato svolto uno studio analitico sul modello di Hubbard esteso unidimensionale al fine di osservare la presenza di eventuali risonanze che possano dare origine alla formazione di stati legati di due particelle. L'esistenza di uno stato legato stabile ha suscitato grande interesse negli ultimi anni, sia in ambito teorico che sperimentale, poichè è alla base di molti fenomeni che vengono osservati nei sistemi a molti corpi a basse temperature, come il BCS-BEC crossover. Pertanto si è ritenuto utile studiare il problema a due corpi nel modello di Hubbard esteso, che in generale non è integrabile. Il modello considerato contiene interazioni a primi e secondi vicini, in aggiunta all'interazione di contatto presente nel modello di Hubbard. Il problema è stato indagato analiticamente attraverso il Bethe ansatz, che consente di trovare tutti gli autovalori e le autofunzioni dell'Hamiltoniana. L'ansatz di Bethe sulla funzione d'onda è stato generalizzato per poter tener conto dei termini di interazione a più lungo raggio rispetto all'interazione di contatto. Si trova che, in questo modello, nel limite termodinamico, possono avvenire delle risonanze (o quasi-risonanze) in cui la lunghezza di scattering diverge, contrariamente a quanto avviene nel modello di Hubbard. Tale fenomeno si verifica quando il livello energetico discreto degli stati legati “tocca” la banda di scattering. Inoltre, con l'aggiunta di nuovi termini di interazione emergono nuovi stati legati. Nel caso in esame, si osservano due famiglie di stati legati, se lo spin totale delle due particelle è 1, e tre famiglie di stati legati, se lo spin totale è 0.

Crittografia basata sull'identità e curve ellittiche

Questa tesi ha lo scopo di fornire una panoramica generale sulle curve ellittiche e il loro utilizzo nella crittografia moderna. L'ultima parte è invece focalizzata a descrivere uno specifico sistema per lo scambio sicuro di messaggi: la crittografia basata sull'identità. Quest'ultima utilizza uno strumento molto interessante, il pairing di Weil, che sarà introdotto nel contesto della teoria dei divisori di funzioni razionali sulle curve ellittiche.

Il Sistema IBE di Boneh e Franklin

Un sistema di cifratura IBE (Identity-Based Encription Scheme) si basa su un sistema crittografico a chiave pubblica, costituita però in questo caso da una stringa arbitraria. Invece di generare una coppia casuale di chiavi pubbliche e private e pubblicare la prima, l'utente utilizza come chiave pubblica la sua "identità", ovvero una combinazione di informazioni opportune (nome, indirizzo...) che lo identifichino in maniera univoca. In questo modo ad ogni coppia di utenti risulta possibile comunicare in sicurezza e verificare le reciproche firme digitali senza lo scambio di chiavi private o pubbliche, senza la necessità di mantenere una key directory e senza dover ricorrere ogni volta ai servizi di un ente esterno. Nel 2001 Boneh e Franklin proposero uno schema completamente funzionante con sicurezza IND-ID-CCA, basato su un analogo del problema computazionale di Diffie-Hellman e che da un punto di vista tecnico-matematico utilizza la crittografia su curve ellittiche e la mappa bilineare Weil Pairing.