Quantum gas microscopy of fluctuating hydrodynamics in optical ladders

Wienand, Julian Florian (2024): Quantum gas microscopy of fluctuating hydrodynamics in optical ladders. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

We demonstrate the emergence of fluctuating hydrodynamics in chaotic quantum many-body systems using quantum simulation experiments in large tunable ladders of hard-core bosons. Using a cesium quantum gas microscope with single-site resolution, we examine the post-quench build-up of fluctuations and density-density correlations, starting from a highly excited state. The ladder systems can be tuned from integrable to fully chaotic, allowing to study the crossover between ballistic and diffusive transport. We find a separation of equilibration timescales between the local expectation values and non-local fluctuations, suggesting that systems may appear thermalized even though fluctuations continue to grow. We show that, from a macroscopic point of view, the relaxation dynamics are described by fluctuating hydrodynamics and entirely determined by the linear response coefficients. This profound insight allows for the extraction of the equilibrium diffusion constant from non-equilibrium experiments, offering a new approach for testing fluctuation-dissipation relations in far-from-equilibrium chaotic quantum systems. Besides these main results about the relaxation of isolated quantum many-body systems, this thesis reports on the current state of our cesium quantum gas microscope, describing and characterizing the experimental setup, including optical superlattices and imaging techniques. Furthermore, it reports on a new theoretical approach for understanding the bulk-boundary correspondence in higher-order symmetry-protected topological phases, demonstrated using the 2d superlattice Bose-Hubbard model.

Abstract

Wir demonstrieren das Auftreten von fluktuierender Hydrodynamik in chaotischen Quantenvielteilchensystemen mittels Quantensimulationsexperimenten in großen einstellbaren Leitern mit Hard-Core-Bosonen. Mit einem Caesium-Quantengasmikroskop mit Einzelplatzauflösung untersuchen wir den Aufbau von Fluktuationen und Dichte-Dichte-Korrelationen nach einem Quench, ausgehend von einem hochangeregten Zustand. Die Leitersysteme können von integrierbar bis vollständig chaotisch eingestellt werden, was es uns ermöglicht, den Übergang zwischen ballistischem und diffusivem Transport zu beobachten. Wir beobachten eine Separation der Zeitskalen für das Erreichen des Gleichgewichtzustands zwischen den lokalen Erwartungswerten und den nicht-lokalen Fluktuationen, was darauf hindeutet, dass Systeme thermisch erscheinen können, obwohl die Fluktuationen weiter wachsen. Wir zeigen, dass aus makroskopischer Sicht die Relaxationsdynamik durch fluktuierende Hydrodynamik beschrieben wird und vollständig durch die Linear-Response-Koeffizienten bestimmt ist. Dieses weitreichende Ergebnis ermöglicht die Extraktion der Gleichgewichts-Diffusionskonstante aus Nichtgleichgewichtsexperimenten und bietet einen neuen Ansatz zum Testen von Fluktuations-Dissipations-Beziehungen in weit vom Gleichgewicht entfernten chaotischen Quantensystemen. Neben diesen Hauptergebnissen hinsichtlich der Relaxation von isolierten Quanten-Vielteilchensystemen berichtet diese Arbeit auch über den aktuellen Stand unseres Caesium-Quantengasmikroskops und beschreibt den experimentellen Aufbau, einschließlich der optischen Übergitter und Abbildungstechniken. Darüber hinaus wird über einen neuen theoretischen Ansatz zur Beschreibung der Bulk-Boundary-Korrespondenz in symmetriegeschützten topologischen Phasen höherer Ordnung berichtet, demonstriert am 2d-Übergitter-Bose-Hubbard-Modell.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: quantum gases, quantum simulation, ultracold atoms, thermalization, fluctuations, hydrodynamics, topology, higher-order, thouless pumps, quench, chaos, cesium, lasers, superlattice, bulk-boundary correspondence, non-equilibrium, quantum gas microscope, Bose-Hubbard model, diffusion
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Mai 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Aidelsburger, Monika