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Far-From-Equilibrium Quantum Many-Body Systems: From Universal Dynamics to Statistical Mechanics

Erne, Sebastian Anton

German Title: Quanten-Vielteilchensysteme fern des Gleichgewichts: Von universeller Dynamik zu statistischer Mechanik

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Abstract

This thesis examines, alongside a series of experiments, the far-from-equilibrium dynamics of isolated quantum many-body systems. As a model example we study the relaxation of a single and two linearly coupled one-dimensional Bose gases, brought out off equilibrium through a rapid change in the system parameters. For the single Bose gas this quench is a rapid cooling of the system to the one-dimensional regime, leading to a far-from-equilibrium state. In the subsequent relaxation towards thermal equilibrium we find direct experimental evidence for a scaling evolution in space and time, signaling the approach of a non-thermal fixed point and universality far from equilibrium. For the two linearly coupled gases we demonstrate how the analysis of higher-order correlations and their factorization properties can be used to determine the validity of effective field theories. In thermal equilibrium we find the system is described by the sine-Gordon model up to 10th -order correlations. Lastly, the relaxation of two independent condensates, initialized in a strongly phase-correlated state, is studied in the context of prethermalization, generalized statistical ensembles, and quantum recurrences. Our work paves the way for future studies of universality far from equilibrium.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit thematisiert anhand einer Reihe von Experimenten die Dynamik isolierter Quanten-Vielteilchen-Systeme fernab vom thermischen Gleichgewicht. Als Modellsysteme werden die Relaxation eines einzelnen sowie zweier linear gekoppelter, eindimensionaler Bose-Gase untersucht. Durch eine plötzliche Änderung der Systemparameter wird das Gas in einen Zustand fernab vom thermischen Gleichgewicht gebracht. Diese Änderung wird für das einzelne Bose-Gas durch schnelles Kühlen in das eindimensionale System realisiert. In der darauffolgenden Zeitentwicklung hin zum thermischen Gleichgewicht wird eine Skalierungsentwicklung in Raum und Zeit direkt experimentell bestätigt. Dies deutet auf die Annäherung des Systems an einen nichtthermischen Fixpunkt hin und zeigt eine universelle Dynamik fernab vom thermischen Gleichgewicht. Für die linear gekoppelten Kondensate wird aufgezeigt, dass durch die Analyse von Korrelationsfunktionen höherer Ordnung und deren Faktorisierungseigenschaften die Validität effektiver Feldtheorien überprüft werden kann. Im thermischen Gleichgewicht kann das System bis zu Korrelationen 10-ter Ordnung durch das Sine-Gordon-Modell beschrieben werden. Daraufhin wird die Relaxationsdynamik zweier unabhängiger Kondensate, welche zu Anfang in einem stark phasenkorrelierten Zustand präpariert sind, im Kontext von Präthermalisierung, verallgemeinerter statistischer Gesamtheiten und der periodischen Rückkehr eines Quantensystems zu seinem Anfangszustand untersucht. Diese Arbeit ebnet den Weg für zukünftige Untersuchungen von Universalität fernab vom thermischen Gleichgewicht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Gasenzer, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 11 July 2018
Date Deposited: 26 Jul 2018 13:19
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Vielteilchentheorie, Nichtgleichgewicht, Statistische Physik, Quantengas, Quantenfeldtheorie
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