Out-Of-Equilibrium Dynamics and Locality in Long-Range Many-Body Quantum Systems

par Lorenzo Cevolani

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Laurent Sanchez-Palencia.

Soutenue le 02-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry / Optique atomique (laboratoire) .

Le président du jury était Leticia F. Cugliandolo.

Le jury était composé de Luca Tagliocozzo, Guillaume Roux.

Les rapporteurs étaient Salvatore Manmana, Patrizia Vignolo.

  • Titre traduit

    Dynamique hors equilibre et localité dans les systèmes quantiques avec interaction de longue porté


  • Résumé

    Cette thèse présente une étude des propagations des corrélations dans les systèmes avec interaction de longue portée. La dynamique des observables locales ne peut pas être décrite avec les méthodes utilisées pour la physique statistique à l’équilibre et les approches complètement nouvelles doivent être développées. Différentes bornes sur l’évolution temporelle des corrélations ont été dérivées, mais la dynamique réelle trouvée dans des données expérimentales et numériques est beaucoup plus compliquée avec différents régimes de propagation. Une approche plus spécifique est donc nécessaire pour comprendre ces phénomènes. Nous présentons une méthode analytique pour décrire l’évolution temporelle d’observables génériques dans des systèmes décrits par des hamiltoniens quadratiques avec interactions de courte et longue portée. Grâce ces expressions, la propagation des observables peut être interprétée comme la propagation des excitations du système. Nous appliquons cette méthode générique à un modèle de spins et on obtient trois régimes différents. Ils peuvent être directement expliqués qualitativement et quantitativement par les divergences du spectre des excitations. Le résultat le plus important est le fait que la propagation, là où elle n’est pas instantanée, est au plus balistique, voir plus lente, alors les bornes permettent une propagation significativement plus rapide. On applique les mêmes expressions analytiques à un système de bosons sur un réseau avec interaction de longue et courte portée. Nous étudions les corrélations à deux corps qui ont un comportement toujours balistique et les corrélations à un corps qui ont un comportement plus riche. Cet effet peut être expliqué en calculant la contribution aux deux observables des différentes excitations qui déterminent les parties du spectre contribuant à l’observable. Ces résultats démontrent que la propagation des observables n’est pas déterminée uniquement par le spectre des excitations mais également par des quantités qui dépendent de l’observable et qui peuvent changer complètement le régime de propagation.


  • Résumé

    In this thesis we present our results on the propagation of correlations in long-range interacting quantum systems. The dynamics of local observables in these systems cannot be described with the standard methods used in equilibrium statistical physics and completely new methods have to be developed. Several bounds on the time evolution of correlations have been derived for these systems. However the propagation found in experimental and numerical results is completely different and several regimes are present depending on the long-range character of the interactions. Here we present analytical expressions to describe the time evolution of generic observables in systems where the Hamiltonian takes a quadratic form with long- and short-range interactions. These expressions describe the spreading of local observables as the spreading of the fundamental excitations of the system. We apply these expressions to a spin model finding three different propagation regimes. They can be described qualitatively et quantitatively by the divergences in the energy spectrum. The most important result is that the propagation is at most ballistic, but it can be also significantly slower, where the general bounds predict a propagation faster than ballistic. This points out that the bounds are not able to describe properly the propagation, but a more specific approach is needed. We then move to a system of lattice bosons interacting via long-range interactions. In this case we study two different observables finding completely different results for the same interactions: the spreading of two-body correlations is always ballistic while the one of the one-body correlations ranges from faster-than-ballistic to ballistic. Using our general analytic expressions we find that different parts of the spectrum contribute differently to different observables determining the previous differences. This points out that an observable-dependent notion of locality, missing in the general bounds, have to be developed to correctly describe the time evolution.


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