Korelacije u jako-međudjelujućim višečestičnim jednodimenzionalnim sustavima

doctoral thesis

• Title (english): Correlations in strongly-interacting one-dimensional many-body systems
• Author: Karlo Lelas
• Mentor: Hrvoje Buljan (mentor)
• Committee member: Ivo Batistić (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Hrvoje Buljan (član povjerenstva)
• Committee member: Slobodan Milošević (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Science; (Department of Physics); Zagreb
• Defense date and country: 2012-07-02, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: NATURAL SCIENCES; Physics
• Universal decimal classification (UDC): 53 - Physics

Abstract

U višečestičnim kvantnim sustavima čestice međudjeluju i stvaraju korelacije zbog kojih ne mogu biti opisane nezavisno jedna od druge. Kao posljedica toga valna funkcija sustava je objekt koji sadrži veliku količinu informacija i u većini slučajeva nemoguće ju je egzaktno ili analitički odrediti. Proučavanje korelacija u kontekstu jako međudjelujućih jednodimezionalnih (1D) bozonskih sustava je zanimljivo jer u tom režimu možemo egzaktno odrediti višečestičnu valnu funkciju primjenom Fermi-Bose (FB) mapiranja. FB mapiranje je u osnovi modela kojeg je Marvin Girardeau predložio 1960. godine tzv. Tonks-Girardeau (TG) plin: jednodimenzionalni bozonski plin gdje bozoni međudjeluju jakim odbojnim kontaktnim interakcijama. Model TG plina eksperimentalno je realiziran 2004. godine s atomima rubidija zatočenim u uske atomske valovode i predmet je daljnjih eksperimentalnih istraživanja. Naš je cilj proučavanje korelacija u TG plinu kroz formalizam jednočestične matrice gustoće. Jednočestična matrica gustoće među ostalim sadrži i informacije o raspodjeli impulsa koja se može mjeriti u eksperimentima. Istraživali smo korelacije u tzv. tamnim solitonskim pobuđenjima TG plina te odredili karakterističan potpis tih korelacija u raspodjeli impulsa, što može biti od važnosti pri eksperimentalnoj detekciji takvih stanja. Uz TG plin, FB mapiranje je 2007. godine primjenjeno za egazktni opis mješavine bozona i spin polariziranih fermiona u 1D. Izveli smo formulu za jednočestičnu matricu gustoće osnovnog stanja takve mješavine te istražili korelacije i raspodjelu impulsa mješavine u potencijalu dvostruke jame. Zbog egzaktnosti, ovi sustavi su pogodni za ispitivanje stabilnosti dinamike višečestične valne funkcije na male perturbacije u različitim režimima međudjelovanja. U tu svrhu, istraživali smo utjecaj malog prostornog šuma na neravnotežnu dinamiku 1D bozonskih plinova, u režimu slabih i jakih međudjelovanja, koristeći koncept Loschmidtove jeke, poznate i kao kvantna vjernost. Primjenili smo te koncepte i na istraživanje zapinjanja. Naši rezultati su u skladu sa nedavno izvršenim eksperimentima o zapinjanju atoma u 1D jako međudjelujućim bozonskim plinovima.

Abstract (english)

In quantum many-body systems interactions between particles create correlations and particles can not be described independently. As a consequence the wave function of the system is a complicated object holding a large amount of information and in most cases it is not possible to obtain it exactly or analytically. Studying correlations in the context of strongly interacting onedimensional (1D) systems is interesting because in this regime we can exactly determine many particle wave function through Fermi-Bose (FB) mapping. FB mapping is in the essence of a Tonks Girardeau (TG) gas proposed in 1960, a theoretical model of 1D Bose gas with strongly repulsive contact interactions between particles. TG gas is experimentally realized in 2004 with rubidium atoms conned in tight atomic wave-guides and it is still a topic of experimental studies. Our goal is the study of correlations in TG gas through the formalism of the single particle density matrix. Single particle density matrix, among other important observable's, contains information about the momentum distribution which can be measured in experiments. We explored correlations in dark soliton-like excitations of the TG gas and found that these correlations give rise to a specific form of the momentum distribution which can be used to experimentally detect these states. In addition to the TG gas, FB mapping was used to construct exact wave functions of 1D Bose-Fermi mixtures (fermions are spin polarized). We derived the formula for the single particle density matrix of the mixture and used it to study correlations and momentum distribution of the mixture in the ground state of double well potential. Due to integrability, these systems are convenient to study stability to perturbations of many-body quantum states in different interaction regimes. We explored stability of non-equilibrium dynamics of 1D interacting Bose gases with respect to small spatial noise potential using the concept of Loschmidt echo (quantum fidelity). We used this concept to explore the pinning quantum phase transition. We found that the ground state fidelity and the Loschmidt echo can be used for diagnostics of the pinning quantum phase transition in experimentally relevant conditions.

• Keywords: Tonks-Girardeau plin; Fermi-Bose mapiranje; Gross-Pitaevskii jednadžba; jednočestična matrica gustoće; Loschmidtova jeka
• Keywords (english): Tonks-Girardeau gas; Fermi-Bose mapping; Gross-Pitaevskii equation; single particle density matrix; Loschmidt echo
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:504847
• Study programme: Title: Physics; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje fizika (doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje fizika)
• Type of resource: Text
• Extent: 102 str.
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2017-08-23 11:01:50