De deux Ansätze de Bethe Algébriques à la dynamique des modèles intégrables quantiques de Dicke-Jaynes-Cummings-Gaudin via des déterminants reposant sur les valeurs propres

From two Algebraic Bethe Ansätze to the dynamics of Dicke-Jaynes-Cummings-Gaudin quantum integrable models through eigenvalue-based determinants

• Auteur / Autrice : Hugo Tschirhart
• Direction : Dragi Karevski, Alexandre Faribault, Thierry Platini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/07/2017
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Coventry University
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Nikolaos Fytas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Faribault, Thierry Platini, Joe Bhaseen, Jonathan Keeling, Christophe Chatelain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joe Bhaseen, Jonathan Keeling

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bethe, Ansatz de

Spin

Théorie quantique

Mots clés libres

Intégrabilité

Dynamique quantique

Interaction rayonnement-matière

Integrability

Quantum dynamics

Light-matter interaction

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse est inspiré de précédents résultats sur les modèles de Gaudin ne contenant que des spins-1/2 (ces modèles sont intégrables) qui, par un changement de variable dans les équations de Bethe algébriques, parviennent à simplifier le traitement numérique de ces modèles. Cette optimisation numérique s'effectue par l'intermédiaire d'une construction en déterminant, ne dépendant que des variables précédemment mentionnées, pour chaque produit scalaire intervenant dans l'expression de la moyenne d'une observable à un temps donné. En montrant qu'il est possible d'utiliser la méthode du Quantum Inverse Scattering Method (QISM), même dans un cas où l'état du vide n'est pas état propre de la matrice de transfert, les résultats précédents concernant uniquement des spins-1/2 sont généralisés à des modèles contenant en plus une interaction spin-boson. De fait, cette généralisation a ouvert plusieurs voies de recherche possibles. Premièrement, il est montré qu'il est possible de continuer à généraliser l'utilisation de déterminants pour des modèles de spins décrivant l'interaction d'un spin de norme arbitraire avec des spins-1/2. La méthode permettant d'obtenir la construction des expressions explicites de ces déterminants est donnée. On peut également pousser la généralisation à d'autres modèles de Gaudin dont l'état du vide n'est pas état propre de la matrice de transfert. C'est ce que nous avons fait pour des spins-1/2 en interaction avec un champ magnétique dont l'orientation est arbitraire. Enfin, un traitement numérique de ces systèmes de spins-1/2 interagissant avec un mode bosonique est présenté. L'évolution temporelle de l'occupation bosonique et de l'aimantation locale des spins est ainsi étudiée selon deux Hamiltoniens différents, l'Hamiltonien de Tavis-Cummings et un Hamiltonien type spin central. Cette étude nous apprend que la dynamique de ces systèmes, qui relaxent d'un état initial vers un état stationnaire, conduit à un état superradiant lorsque l'état initial choisi y est favorable

The work presented in this thesis was inspired by precedent results on the Gaudin models (which are integrable) for spins-1/2 only which, by a change of variables in the algebraic Bethe equations, manage to considerably simplify the numerical treatment of such models. This numerical optimisation is carried out by the construction of determinants, only depending on the previously mentioned variables, for every scalar products appearing in the expression of the mean value of an observable of interest at a given time. By showing it is possible to use the Quantum Inverse Scattering Method (QISM), even when the vacuum state is not eigenstate of the transfer matrix, the previous results concerning spins-1/2 only are generalised to models including an additional spin-boson interaction. De facto, this generalisation opened different possible paths of research. First of all, we show that it is possible to further generalise the use of determinants for spin models describing the interaction of one spin of arbitrary norm with many spins-1/2. We give the method leading to the explicit construction of determinants’ expressions. Moreover, we can extend this work to other Gaudin models where the vacuum state is not an eigenstate of the transfer matrix. We did this work for spins-1/2 interacting with an arbitrarily oriented magnetic field. Finally, a numerical treatment of systems describing the interaction of many spins-1/2 with a single bosonic mode is presented. We study the time evolution of bosonic occupation and of local magnetisation for two different Hamiltonians, the Tavis-Cummings Hamiltonian and a central spin Hamiltonian. We learn that the dynamics of these systems, relaxing from an initial state to a stationary state, leads to a superradiant-like state for certain initial states