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Tunneling Dynamics in Open Ultracold Bosonic Systems

Lode, Axel U. J.

German Title: Tunneldynamik in offenen ultrakalten bosonischen Systemen

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Abstract

This thesis explores the quantum many-body tunneling dynamics of open ultracold bosonic systems with the recently developed multiconfigurational time-dependent Hartree for bosons (MCTDHB) method. The capabilities of MCTDHB to provide solutions to the full time-dependent many-body problem are assessed in a benchmark using the analytically solvable harmonic interaction Hamiltonian and a generalization of it with time-dependent both one- and two-body potentials. In a comparison with numerically exact MCTDHB results, it is shown that e.g. lattice methods fail qualitatively to describe the tunneling dynamics. A model assembling the many-body physics of the process from basic simultaneously happening single-particle processes is derived and verified with a numerically exact MCTDHB description. The generality of the model is demonstrated even for strong interactions and large particle numbers. The ejection of the bosons from the source occurs with characteristic velocities. These velocities are defined by the chemical potentials of systems with different particle numbers which are converted to kinetic energy. The tunneling process is accompanied by fragmentation: the ejected bosons lose their coherence with the source and among each other. It is shown that the various aspects of the tunneling dynamics’ can be controlled well with the interaction and the potential threshold.

Translation of abstract (German)

Diese Dissertation erkundet die Quantenvielteilchentunneldynamik von offenen, ultrakalten bosonischen Systemen mithilfe der kürzlich entwickelten multikonfigurationalen zeitabhängigen Hartreemethode für Bosonen (MCTDHB). Eine Bewertung der Fähigkeiten dieser Methode, Lösungen des vollen, zeitabhängigen Vielteilchenproblems zu liefern wird in Form eines Benchmark-Tests mit dem analytisch lösbaren Hamiltonoperator mit harmonischer Wechselwirkung, sowie einer Verallgemeinerung dessen mit zeitabhängigen Ein- und Zweiteilchenpotentialen, durchgeführt. In einem Vergleich mit numerisch exakten Resultaten wird gezeigt, dass z.B. Gittermethoden qualitativ darin versagen, die Tunneldynamik zu beschreiben. Ein Modell, welches die Physik des Vielteilchenprozesses aus einfachen, gleichzeitigen Einteilchenprozessen zusammensetzt wird abgeleitet und mit einer numerisch exakten MCTDHB-Rechnung verifiziert. Die Allgemeinheit des Modells wird selbst für starke Wechselwirkung und große Teilchenzahlen gezeigt. Der Ausstoß von Bosonen aus der Quelle verläuft mit charakteristischen Geschwindigkeiten. Diese Geschwindigkeiten sind durch die Umwandlung der chemischen Potentiale von Systemen unterschiedlicher Teilchenzahl in kinetische Energie definiert. Der Tunnelprozess wird von Fragmentierung begleitet: die ausgestoßenen Bosonen verlieren ihre Kohärenz mit der Quelle und untereinander. Es wird gezeigt, dass diverse Aspekte der Tunneldynamik gut mit der Wechselwirkung sowie dem Wert des Potentials im offenen Raum kontrolliert werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Cederbaum, Prof. Dr. Lorenz S.
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 3 June 2013
Date Deposited: 13 Jun 2013 08:37
Date: June 2013
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
510 Mathematics
530 Physics
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