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Probing many-body localization with ultracold atoms in optical lattices
Probing many-body localization with ultracold atoms in optical lattices
This thesis reports on first experiments on the observation of ergodicity breaking in a two-component, interacting fermionic gas of Potassium-40 subject to quasi-periodic optical lattices in one and two dimensions, demonstrating the breakdown of thermalization in highly excited states of isolated quantum systems. Our observations can be explained by the phenomenon of many-body localization, a non-ergodic phase of matter, whose properties can be detected with non-equilibrium probes. To probe such a phase, we first design a far-from-equilibrium initial state and then monitor how much the system remembers of this design during time evolution. This allows us to identify regimes and timescales where disorder can protect local quantum information and distinguish such cases from regimes where interactions amalgamate local information into highly nonlocal quantum correlations. We then describe how this treatment systematically breaks down in all real-world systems as the system is (necessarily) coupled to some bath-like structure. Following very recent developments, we are further able to show that order can exist even in driven quantum systems, which were earlier thought to exhibit no interesting features, corresponding to an infinite temperature state. We also extend the experimental realm to explore two dimensions and show that the dynamics emerge as a distinct interplay of interactions, disorder, and dimensions. Upon probing a putative MBL transition, we further show signatures of a new kind of slow relaxation, potentially arising due to randomness in the initial state. We close with some theoretical results on probing quantum dynamics ensuing in the absence of transport and a discussion of exciting areas for future experiments., Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Realisierung nicht-ergodischer Zustände ultrakalter Atome in quasi-periodischen optischen Gittern mit einem zweikomponentigen, wechselwirkenden, fermionischen Gas aus Kalium-40-Atomen in einer und zwei Dimensionen. Die Ergebnisse zeigen hochangeregte, nicht-thermalisierende Zustände in isolierten Quantensystemen. Unsere Beobachtungen lassen sich mit dem Phänomen der Vielteilchenlokalisierung erklären – einer nicht-ergodischen Phase der Materie, deren Eigenschaften mittels dynamischer Observablen detektiert werden können. Zur Untersuchung einer solchen Phase präparieren wir zunächst einen Nichtgleichgewichtszustand und beobachten wie dessen Merkmale während der Zeitentwicklung verloren gehen. So können mehrere Parameterbereiche und Zeitskalen identifiziert werden, in denen lokale Quanteninformationen aufgrund der Unordnung erhalten bleiben und von Parameterbereichen unterschieden werden, in denen lokale Informationen mit Hilfe von Wechselwirkungen in hochgradig nichtlokale Quantenkorrelationen umgewandelt werden. Wir zeigen, wie die Beschreibung isolierter Quantensysteme in allen Experimenten systematisch zusammenbricht, da das System (notwendigerweise) an eine badähnliche Struktur gekoppelt ist. Des Weiteren wird gezeigt, dass Lokalisierung auch in periodisch getriebenen Quantensystemen existieren kann, von denen bis vor kurzem angenommen wurde, dass sie sich immer entsprechend einem Zustand unendlicher Temperatur verhalten. Wir ermöglichen die experimentelle Erforschung ungeordneter Systeme in zwei Dimensionen und zeigen die Existenz einer nicht-trivialen Dynamik, die als Zusammenspiel von Wechselwirkungen, Störungen und Dimensionen auftritt. Nach der Untersuchung eines mutmaßlichen Übergangs zeigen wir weitere Signaturen einer neuen Art langsamer Relaxation, die möglicherweise auf Unordnung im Anfangsszustand züruckzuführen ist. Wir schließen die Diskussion mit einigen theoretischen Ergebnissen zur Untersuchung der Quantendynamik in Abwesenheit von Transport und diskutieren vielversprechende zukünftige Experimente.
Many-body localization, ultracold atom experiments, non-ergodic matter, floquet systems, bath-like effects
Bordia, Pranjal
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Bordia, Pranjal (2017): Probing many-body localization with ultracold atoms in optical lattices. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

This thesis reports on first experiments on the observation of ergodicity breaking in a two-component, interacting fermionic gas of Potassium-40 subject to quasi-periodic optical lattices in one and two dimensions, demonstrating the breakdown of thermalization in highly excited states of isolated quantum systems. Our observations can be explained by the phenomenon of many-body localization, a non-ergodic phase of matter, whose properties can be detected with non-equilibrium probes. To probe such a phase, we first design a far-from-equilibrium initial state and then monitor how much the system remembers of this design during time evolution. This allows us to identify regimes and timescales where disorder can protect local quantum information and distinguish such cases from regimes where interactions amalgamate local information into highly nonlocal quantum correlations. We then describe how this treatment systematically breaks down in all real-world systems as the system is (necessarily) coupled to some bath-like structure. Following very recent developments, we are further able to show that order can exist even in driven quantum systems, which were earlier thought to exhibit no interesting features, corresponding to an infinite temperature state. We also extend the experimental realm to explore two dimensions and show that the dynamics emerge as a distinct interplay of interactions, disorder, and dimensions. Upon probing a putative MBL transition, we further show signatures of a new kind of slow relaxation, potentially arising due to randomness in the initial state. We close with some theoretical results on probing quantum dynamics ensuing in the absence of transport and a discussion of exciting areas for future experiments.

Abstract

Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Realisierung nicht-ergodischer Zustände ultrakalter Atome in quasi-periodischen optischen Gittern mit einem zweikomponentigen, wechselwirkenden, fermionischen Gas aus Kalium-40-Atomen in einer und zwei Dimensionen. Die Ergebnisse zeigen hochangeregte, nicht-thermalisierende Zustände in isolierten Quantensystemen. Unsere Beobachtungen lassen sich mit dem Phänomen der Vielteilchenlokalisierung erklären – einer nicht-ergodischen Phase der Materie, deren Eigenschaften mittels dynamischer Observablen detektiert werden können. Zur Untersuchung einer solchen Phase präparieren wir zunächst einen Nichtgleichgewichtszustand und beobachten wie dessen Merkmale während der Zeitentwicklung verloren gehen. So können mehrere Parameterbereiche und Zeitskalen identifiziert werden, in denen lokale Quanteninformationen aufgrund der Unordnung erhalten bleiben und von Parameterbereichen unterschieden werden, in denen lokale Informationen mit Hilfe von Wechselwirkungen in hochgradig nichtlokale Quantenkorrelationen umgewandelt werden. Wir zeigen, wie die Beschreibung isolierter Quantensysteme in allen Experimenten systematisch zusammenbricht, da das System (notwendigerweise) an eine badähnliche Struktur gekoppelt ist. Des Weiteren wird gezeigt, dass Lokalisierung auch in periodisch getriebenen Quantensystemen existieren kann, von denen bis vor kurzem angenommen wurde, dass sie sich immer entsprechend einem Zustand unendlicher Temperatur verhalten. Wir ermöglichen die experimentelle Erforschung ungeordneter Systeme in zwei Dimensionen und zeigen die Existenz einer nicht-trivialen Dynamik, die als Zusammenspiel von Wechselwirkungen, Störungen und Dimensionen auftritt. Nach der Untersuchung eines mutmaßlichen Übergangs zeigen wir weitere Signaturen einer neuen Art langsamer Relaxation, die möglicherweise auf Unordnung im Anfangsszustand züruckzuführen ist. Wir schließen die Diskussion mit einigen theoretischen Ergebnissen zur Untersuchung der Quantendynamik in Abwesenheit von Transport und diskutieren vielversprechende zukünftige Experimente.