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Probing quantum thermalization and localization in Bose-Hubbard systems
Probing quantum thermalization and localization in Bose-Hubbard systems
The experimental control and observation of quantum many-body systems has become a reality with the advent of ultracold quantum matter. The high level of isolation of these experiments, together with the development of novel measurement techniques, has revived a fundamental debate concerning the thermal equilibration of isolated quantum systems, commonly named "quantum thermalization". In this thesis we make use of a quantum-gas microscope to explore the thermalizing dynamics of highly isolated systems of ultracold bosonic atoms in optical lattices. The ability to prepare and control quantum systems made up of hundreds of atoms makes it possible to explore regimes that represent a challenge for classical numeric simulations. A major part of this dissertation deals with Bose-Hubbard systems in the presence of quenched disorder. We begin by studying the microscopic properties of its phases near equilibrium, where by tuning the strength of the disorder, observe features consistent with the emergence of a so-called Bose-glass phase. We then continue by preparing states far from equilibrium and exploring their quantum many-body dynamics. In particular, we observe signatures of the phenomenon of "many-body localization", which implies a breakdown of quantum thermalization. In addition, we study whether localized systems can be thermalized via the coupling to a bath of few degrees of freedom, i.e. a quantum bath. We do so by preparing a mixture of two interacting atomic species, where one acts as the bath and the other as the localized system. We do observe delocalizing dynamics for large enough baths, though in regimes of weak coupling localization can survive for extremely long times. The second main topic of this thesis is the thermalization of periodically driven many-body systems, so-called Floquet thermalization. In these systems, the absence of energy conservation eventually brings any initial state into a featureless infinite-temperature one. However, for sufficiently high frequencies this thermalization process can take arbitrarily long times, which can enable the engineering of exotic long-lived prethermal states. We use the high isolation of our system, together with the high sensitivity of quantum-gas microscopy, to measure the heating rates for a range of driving frequencies and interaction regimes. Our results show a dramatic suppression of the heating as the frequency of the drive is increased, which is consistent with theoretical expectations., Die experimentelle Kontrolle und Beobachtung von Quantenvielteilchensystemen ist durch das Aufkommen ultrakalter Quantenmaterie Realität geworden. Das hohe Maß an Isolation in diesen Experimenten, zusammen mit der Entwicklung neuartiger Messmethoden, hat eine Grundsatzdebatte über die Thermalisierung in isolierten Quantensystemen, die “Quantenthermalisierung", wieder aufleben lassen. In dieser Doktorarbeit nutzen wir ein Quantengasmikroskop um die Thermalisierungsdynamik in hochgradig isolierten Systemen ultrakalter bosonischer Atome zu erforschen. Die Fähigkeit, Quantensysteme hunderter Atome zu realisieren und zu kontrollieren, ermöglicht die Untersuchung von Prozessen, die eine Herausforderung für klassische numerische Simulationen darstellen. Einer der Hauptteile dieser Dissertation behandelt Bose-Hubbard-Systeme in Gegenwart von Unordnung. Wir beginnen mit einer Untersuchung der mikroskopischen Eigenschaften der Phasen nahe dem Gleichgewicht. Durch eine kontrollierbare Stärke der Unordnung beobachten wir Merkmale, die vereinbar mit der Entstehung einer sogenannten Bose-Glas Phase sind. Anschließ end realisieren wir Zustände fern vom Gleichgewicht und untersuchen deren Quantenvielteilchendynamik. Insbesondere beobachten wir hierbei Hinweise für das Phänomen der "Vielteilchenlokalisierung", eine Ausnahme der Quantenthermalisierung. Darüber hinaus untersuchen wir, ob die Kopplung an ein Wärmebad mit nur wenigen Freiheitsgraden, d.h. ein Quantenbad, einen lokalisierten Zustand thermalisieren kann. Hierfür realisieren wir eine Mischung zweier wechselwirkender atomarer Spezien, wobei eine als Bad, und die andere als lokalisierendes System agieren. Wir beobachten delokalisierende Dynamik für ein ausreichend großes Bad, wobei Lokalisierungsmerkmale bei schwacher Kopplung für extrem lange Zeiten überleben können. Der zweite Schwerpunkt dieser Doktorarbeit ist die Thermalisierung von periodisch getriebenen Vielteilchensystemen, die sogenannte Floquet-Thermalisierung. In diesen Systemen gilt keine Energieerhaltung, was jeden Anfangszustand irgendwann in einen Zustand unendlicher Temperatur uberführt. Für ausreichend hohe Frequenzen kann dieser Thermalisierungsprozess beliebig lange dauern, was die Realisierung exotischer, langlebiger, prethermischer Zustände erlaubt. Die experimentelle Untersuchung dieser Zustände wird in unserem System durch den hohen Grad an Isolation und die Sensitivität der Quantengasmikroskopie ermöglicht. Dadurch können wir die Heizraten für ein weites Spektrum an Antriebsfrequenzen und Wechselwirkungsstärken messen. Unsere Ergebnisse zeigen eine starke Unterdrückung der Heizraten mit ansteigender Antriebsfrequenz, welche konsistent sind mit den theoretischen Erwartungen.
ultracold atoms, optical lattices, Bose-Hubbard, quantum-gas microscope, quantum thermalization, many-body localization, Floquet prethermalization
Rubio Abadal, Antonio
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Rubio Abadal, Antonio (2020): Probing quantum thermalization and localization in Bose-Hubbard systems. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The experimental control and observation of quantum many-body systems has become a reality with the advent of ultracold quantum matter. The high level of isolation of these experiments, together with the development of novel measurement techniques, has revived a fundamental debate concerning the thermal equilibration of isolated quantum systems, commonly named "quantum thermalization". In this thesis we make use of a quantum-gas microscope to explore the thermalizing dynamics of highly isolated systems of ultracold bosonic atoms in optical lattices. The ability to prepare and control quantum systems made up of hundreds of atoms makes it possible to explore regimes that represent a challenge for classical numeric simulations. A major part of this dissertation deals with Bose-Hubbard systems in the presence of quenched disorder. We begin by studying the microscopic properties of its phases near equilibrium, where by tuning the strength of the disorder, observe features consistent with the emergence of a so-called Bose-glass phase. We then continue by preparing states far from equilibrium and exploring their quantum many-body dynamics. In particular, we observe signatures of the phenomenon of "many-body localization", which implies a breakdown of quantum thermalization. In addition, we study whether localized systems can be thermalized via the coupling to a bath of few degrees of freedom, i.e. a quantum bath. We do so by preparing a mixture of two interacting atomic species, where one acts as the bath and the other as the localized system. We do observe delocalizing dynamics for large enough baths, though in regimes of weak coupling localization can survive for extremely long times. The second main topic of this thesis is the thermalization of periodically driven many-body systems, so-called Floquet thermalization. In these systems, the absence of energy conservation eventually brings any initial state into a featureless infinite-temperature one. However, for sufficiently high frequencies this thermalization process can take arbitrarily long times, which can enable the engineering of exotic long-lived prethermal states. We use the high isolation of our system, together with the high sensitivity of quantum-gas microscopy, to measure the heating rates for a range of driving frequencies and interaction regimes. Our results show a dramatic suppression of the heating as the frequency of the drive is increased, which is consistent with theoretical expectations.

Abstract

Die experimentelle Kontrolle und Beobachtung von Quantenvielteilchensystemen ist durch das Aufkommen ultrakalter Quantenmaterie Realität geworden. Das hohe Maß an Isolation in diesen Experimenten, zusammen mit der Entwicklung neuartiger Messmethoden, hat eine Grundsatzdebatte über die Thermalisierung in isolierten Quantensystemen, die “Quantenthermalisierung", wieder aufleben lassen. In dieser Doktorarbeit nutzen wir ein Quantengasmikroskop um die Thermalisierungsdynamik in hochgradig isolierten Systemen ultrakalter bosonischer Atome zu erforschen. Die Fähigkeit, Quantensysteme hunderter Atome zu realisieren und zu kontrollieren, ermöglicht die Untersuchung von Prozessen, die eine Herausforderung für klassische numerische Simulationen darstellen. Einer der Hauptteile dieser Dissertation behandelt Bose-Hubbard-Systeme in Gegenwart von Unordnung. Wir beginnen mit einer Untersuchung der mikroskopischen Eigenschaften der Phasen nahe dem Gleichgewicht. Durch eine kontrollierbare Stärke der Unordnung beobachten wir Merkmale, die vereinbar mit der Entstehung einer sogenannten Bose-Glas Phase sind. Anschließ end realisieren wir Zustände fern vom Gleichgewicht und untersuchen deren Quantenvielteilchendynamik. Insbesondere beobachten wir hierbei Hinweise für das Phänomen der "Vielteilchenlokalisierung", eine Ausnahme der Quantenthermalisierung. Darüber hinaus untersuchen wir, ob die Kopplung an ein Wärmebad mit nur wenigen Freiheitsgraden, d.h. ein Quantenbad, einen lokalisierten Zustand thermalisieren kann. Hierfür realisieren wir eine Mischung zweier wechselwirkender atomarer Spezien, wobei eine als Bad, und die andere als lokalisierendes System agieren. Wir beobachten delokalisierende Dynamik für ein ausreichend großes Bad, wobei Lokalisierungsmerkmale bei schwacher Kopplung für extrem lange Zeiten überleben können. Der zweite Schwerpunkt dieser Doktorarbeit ist die Thermalisierung von periodisch getriebenen Vielteilchensystemen, die sogenannte Floquet-Thermalisierung. In diesen Systemen gilt keine Energieerhaltung, was jeden Anfangszustand irgendwann in einen Zustand unendlicher Temperatur uberführt. Für ausreichend hohe Frequenzen kann dieser Thermalisierungsprozess beliebig lange dauern, was die Realisierung exotischer, langlebiger, prethermischer Zustände erlaubt. Die experimentelle Untersuchung dieser Zustände wird in unserem System durch den hohen Grad an Isolation und die Sensitivität der Quantengasmikroskopie ermöglicht. Dadurch können wir die Heizraten für ein weites Spektrum an Antriebsfrequenzen und Wechselwirkungsstärken messen. Unsere Ergebnisse zeigen eine starke Unterdrückung der Heizraten mit ansteigender Antriebsfrequenz, welche konsistent sind mit den theoretischen Erwartungen.