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Titelaufnahme

Titel
Universality in driven-dissipative quantum many-body systems / vorgelegt von Lukas M. Sieberer
VerfasserSieberer, Lukas M.
Begutachter / BegutachterinDiehl, Sebastian ; Gasenzer, Thomas
Betreuer / BetreuerinDiehl, Sebastian ; Zoller, Peter ; Ritsch, Helmut
Erschienen2015
UmfangXV, 213 S. : graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Enth. u.a. 4 Veröff. d. Verf. aus den Jahren 2013 - 2014 . - Zsfassung in dt. Sprache
Datum der AbgabeMärz 2015
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Bose-Einstein Kondensation / Phasenübergänge / Universelles Verhalten / Dynamisches kritisches Verhalten / Statistische Physik des Nichtgleichgewichts / Quantenfeldtheorie / Renormierungsgruppe / Exziton-Polaritonen
Schlagwörter (EN)Bose-Einstein condensation / Phase transitions / Universal behavior / Dynamical critical behavior / Non-equilibrium statistical physics / Quantum field theory / Renormalization group / Exciton-polaritons
Schlagwörter (GND)Vielteilchensystem / Bose-Einstein-Kondensation / Quantenphysik
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-1992 Persistent Identifier (URN)
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Universality in driven-dissipative quantum many-body systems [2.23 mb]
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Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

In jüngerer Zeit durchgeführte experimentelle Studien von Kondensationsphänomenen in getrieben-dissipativen Quantenvielteilchensystemen bringen die Frage auf, welche Art von neuem universellem Verhalten unter Nicht-Gleichgewichtsverhältnissen auftreten kann. Wir untersuchen verschiedene Aspekte von Universalität in diesem Kontext. Unsere Resultate haben Relevanz für zahlreiche offene Quantensysteme, von Exziton-Polariton-Kondensaten bis zu kalten atomaren Gasen.

In Teil I charakterisieren wir das dynamische kritische Verhalten am Bose-Einstein-Kondensations-Phasenübergang in getriebenen offenen Quantensystemen in drei räumlichen Dimensionen. Obwohl sich thermodynamische Gleichgewichtsverhältnisse bei niedrigen Frequenzen einstellen, wird die Annäherung an dieses thermalisierte Regime niedriger Frequenzen durch einen kritischen Exponenten beschrieben, der kennzeichnend für den Nicht-Gleichgewichts-Übergang ist und diesen außerhalb der Standardklassifikation von dynamischem kritischem Verhalten im Gleichgewicht einstuft. Unser theoretischer Ansatz beruht auf der funktionalen Renormierungsgruppe im Rahmen der Keldysh-Nicht-Gleichgewichts-Feldtheorie, welche äquivalent zu einer mikroskopischen Beschreibung der Dynamik des offenen Systems in Form einer Quantenvielteilchen-Mastergleichung ist.

Universelles Verhalten der Kohärenzeigenschaften von getrieben-dissipativen Kondensaten in reduzierten Dimensionen wird in Teil II untersucht. Wir zeigen, dass getriebene zweidimensionale Bose-Systeme keine algebraische Ordnung wie im thermodynamischen Gleichgewicht aufweisen können, sofern sie nicht hinreichend anisotrop sind. Dennoch finden wir Hinweise, dass sogar isotrope Systeme einen endlichen superfluiden Anteil haben können. In eindimensionalen Systemen sind Nicht-Gleichgewichtsbedingungen im Verhalten der Autokorrelationsfunktion nachweisbar. Wir erzielen diese Resultate durch eine Abbildung der Dynamik des Kondensats auf langen Wellenlängen auf die Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung.

In Teil III zeigen wir, dass Systeme in thermodynamischem Gleichgewicht eine besondere Symmetrie haben, welche sie von allgemeinen getriebenen offenen Systemen unterscheidet. Das neuartige universelle Verhalten, welches in den Teilen II und III beschrieben wird, kann auf das Fehlen dieser Symmetrie außerhalb des Gleichgewichts zurückgeführt werden. Von einem praktischen Standpunkt aus bietet diese Symmetrie einen effizienten Test für Vorliegen von thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen und macht die explizite Berechnung von Fluktuations-Dissipations-Relationen unnötig. Im klassischen Grenzfall finden wir die bekannte Gleichgewichtssymmetrie der stochastischen Dynamik klassischer, an thermische Bäder gekoppelter Systeme wieder.

Zusammenfassung (Englisch)

Recent experimental investigations of condensation phenomena in driven-dissipative quantum many-body systems raise the question of what kind of novel universal behavior can emerge under non-equilibrium conditions. We explore various aspects of universality in this context. Our results are of relevance for a variety of open quantum systems on the interface of quantum optics and condensed matter physics, ranging from exciton-polariton condensates to cold atomic gases.

In Part I we characterize the dynamical critical behavior at the Bose-Einstein condensation phase transition in driven open quantum systems in three spatial dimensions. Although thermodynamic equilibrium conditions are emergent at low frequencies, the approach to this thermalized low-frequency regime is described by a critical exponent which is specific to the non-equilibrium transition, and places the latter beyond the standard classification of equilibrium dynamical critical behavior. Our theoretical approach is based on the functional renormalization group within the framework of Keldysh non-equilibrium field theory, which is equivalent to a microscopic description of the open system dynamics in terms of a many-body quantum master equation.

Universal behavior in the coherence properties of driven-dissipative condensates in reduced dimensions is investigated in Part II. We show that driven two-dimensional Bose systems cannot exhibit algebraic order as in thermodynamic equilibrium, unless they are sufficiently anisotropic. However, we find evidence that even isotropic systems may have a finite superfluidity fraction. In one-dimensional systems, non-equilibrium conditions are traceable in the behavior of the autocorrelation function. We obtain these results by mapping the long-wavelength condensate dynamics onto the Kardar-Parisi-Zhang equation.

In Part III we show that systems in thermodynamic equilibrium have a specific symmetry, which makes them distinct from generic driven open systems. The novel universal behavior described in Parts I and II can be traced back to the absence of this symmetry out of equilibrium. From a practical viewpoint, this symmetry provides an efficient check for thermodynamic equilibrium conditions, making the explicit calculation of fluctuation-dissipation relations unnecessary. In the classical limit we recover the known equilibrium symmetry of the stochastic dynamics of classical systems coupled to thermal baths.