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Phase structure and dynamics of driven-dissipative Rydberg spin systems

Helmrich, Stephan

German Title: Phasenstruktur und Dynamik getrieben-dissipativer Rydberg-Spinsysteme

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Abstract

This thesis presents several experiments investigating the regimes of behaviour of a proto-typical open quantum many-body system far away from equilibrium. The experimental platform is based on ultracold atoms laser-excited to Rydberg states, which we engineer to emulate a strongly interacting, driven-dissipative quantum spin system. The high degree of control over the relevant microscopic processes and their parameters, as well as the ability to widely tune interaction and driving strengths provides the means to address fundamental questions on how different regimes of dynamical behaviour emerge in complex open quantum systems and how they can be characterised.

In the first part, we discuss how control over the relevant properties of Rydberg spin systems, like temperature, density, long evolution times, strong interactions, tunable driving, and dissipation can be achieved. We introduce the new experimental apparatus developed during this thesis, which combines both single-photon and two-photon Rydberg excitation schemes with high atom densities and long excitation times using an optical dipole trap. Additionally, we investigate theoretically how long coherence times exceeding motional timescales combined with strong many-body interactions can be achieved in such a system. We identify an optimal parameter regime for two-photon excitation where such conditions can be generated with coherence times and interaction strengths comparable to what is achievable for single-photon excitation.

In the second part we explore the macroscopic non-equilibrium behaviour of our system and devise suitable observables for characterising different regimes of behaviour. We discover that the slow atom loss inherent to our system provides a convenient observable for the many-body state of the system. Focussing on evolution times where the effect of the atom loss on the evolution is small, we discover that the rate of atom loss exhibits powerlaw scaling with the driving strength over several orders of magnitude. The measured scaling exponents reveal the non-equilibrium phase structure of the many-body system and allow us to distinguish dissipation-dominated, paramagnetic and critical regimes, as well as an instability. In the observed critical regime, collectively enhanced driving dominates over dissipation, leading to scaling associated to the critical point of the non-dissipative equilibrium Rydberg spin system. Based on the known microscopic processes of our system, we perform classical many-body rate equation simulations, which agree well with the observed phase structure as well as the position and associated scaling exponents of the individual regimes. These findings open up new means to study and classify out of equilibrium systems based on slow particle loss and powerlaw scaling.

In the last part of this thesis we reveal a second type of criticality in our system, which is genuinely non-equilibrium in character and arises from an absorbing state phase transition. The critical state of this phase transition dominates the system evolution at late times where particle loss is no longer negligible. We identify self-organisation as the mechanism driving the system to this critical state, which we observe through powerlaw scaling of the non-equilibrium steady-state. These experiments establish Rydberg atoms as a well controlled platform for implementing and exploring models of absorbing state phase transitions and self-organised criticality with unprecedented access to the underlying microscopic properties of the system.

Translation of abstract (German)

Diese Doktorarbeit handelt über die experimentelle Untersuchung der Verhaltensbereiche eines prototypischen offenen Quantensystems weit entfernt vom Gleichgewichtszustand. Unsere experimentelle Plattform basiert auf ultrakalten Atomen, die mittels Laseranregung an Rydberg-Zuständen gekoppelt werden, um ein stark wechselwirkendes, getrieben-dissipatives Quantenspinsystem nachzubilden. Der hohe Grad an Kontrolle über die entscheidenden mikroskopischen Prozesse und deren Parameter, sowie die Fähigkeit die Stärke der Wechselwirkung und des Antriebs über einen weiten Bereich einzustellen, erlaubt es uns grundlegende Fragen über die Emergenz verschiedener Regime des dynamischen Verhaltens komplexer Quantensysteme und deren Charakterisierung zu behandeln.

Im ersten Teil erörtern wir wie die Kontrolle über die entscheidenden Eigenschaften des Systems wie Temperatur, Dichte, lange Entwicklungszeiten, starke Wechselwirkungen, stimmbarer Antrieb und Dissipation erreicht werden kann. Wir stellen den Versuchsaufbau vor, welcher im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelt wurde und Einzelphoton- sowie Zweiphotonenanregung mit hohen Atomdichten und langen Anregungszeiten in einer optischen Dipolfalle kombiniert. Darüber hinaus untersuchen wir theoretisch, wie Kohärenzzeiten länger als typische Bewegungszeitskalen bei gleichzeitig starken Vielteilchenwechselwirkungen in solchen Systemen erreicht werden können. Wir identifizieren einen optimalen Parameterbereich der Zweiphotonenanregung, für den solche Bedingungen in vergleichbarer Stärke zu Einphotonanregung erreicht werden können.

Im zweiten Abschnitt erforschen wir das makroskopische Nicht-Gleichgewichtsverhalten und entwickeln geeignete Observablen um verschiedene Verhaltensbereiche zu charakterisieren. Wir beobachten, dass der unserem System inhärente langsame Teilchenverlust solch eine passende Observable bietet, und entdecken, dass die Teilchenverlustrate über mehrere Größenordnungen eine Potenzabhängigkeit zur Antriebsstärke zeigt. Die gemessenen Skalierungsexponenten offenbaren die nicht-gleichgewichts Phasenstruktur des Vielteilchensystems und erlauben es uns dissipative, paramagnetische und kritische Bereiche sowie eine Instabilität zu unterscheiden. In dem beobachteten kritischen Bereich dominiert kollektiv-verstärkter Antrieb über Dissipation, was zu Skalierungsverhalten verbunden mit dem kritischen Punkt des nicht-dissipativen Gleichgewichtssystems führt. Basierend auf den bekannten mikroskopischen Vorgängen führen wir Simulationen mit klassischen Vielteilchen-Ratengleichung durch, welche in guter Übereinstimmung mit der beobachteten Phasenstruktur wie auch mit der Position und den Skalierungsexponenten der einzelnen Bereiche sind. Unsere Resultate eröffnen neue Möglichkeiten zur Untersuchung und Klassifikation von Nicht-Gleichgewichtssystemen basierend auf langsamem Teilchenverlust und Skalierungsverhalten.

Im letzten Teil dieser Arbeit decken wir einen zweiten Typ kritischen Verhaltens auf, welcher einen originären Nicht-Gleichgewichts-Charakter hat und von einem absorbierenden Phasenübergang herrührt. Der kritische Zustand dieses Phasenübergangs beherrscht die Systementwicklung zu Zeiten, bei denen der Teilchenverlust nicht vernachlässigbar ist. Wir bestimmen Selbstorganisation als den verantwortlichen Mechanismus, welcher das System in diesen kritischen Zustand treibt, was wir durch die Potenzabhängigkeit des Nicht-Gleichgewichts-Stationärzustands beobachten. Diese Experimente etablieren Rydberg-Atome als eine wohlkontrollierte Plattform zur Erforschung von Modellen absorbierender Phasenübergange und selbstorganisierter Kritikalität mit beispiellosem Zugang zu den zugrundeliegenden mikroskopischen Eigenschaften des Systems.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Whitlock, Prof. Dr. Shannon
Date of thesis defense: 13 July 2018
Date Deposited: 26 Jul 2018 13:09
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
570 Life sciences
Controlled Keywords: Rydberg-Zustand, Nichtgleichgewicht, Spindynamik, Dynamik, Aggregatzustand, Nichtgleichgewichts-Phasenübergang
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