Se estudia la evolución cuántica exacta de una excitación local interactuando con un conjunto grande (reservorio) pero finito de estados. En distintas variantes del modelo para el reservorio la autocorrelación presenta diferentes regímenes. A tiempos menores que el tiempo de Debye, decae siempre cuadráticamente. Dependiendo del modelo, a tiempos intermedios hay decaimiento exponencial coincidente con la regla de Oro de Fermi, decoherencia exponencial o dinámica difusiva clásica ~ t -1/2. Finalmente al tiempo de Heisenberg del sistema aparecen ecos mesoscópicos. Se discute la aplicación de este modelo al estudio de la difusión de espines nucleares en moléculas lineales y a la decoherencia en la transferencia de carga entre dos centros de reacción.
Se estudia la evolución cuántica exacta de una excitación local interactuando con un conjunto grande (reservorio) pero finito de estados. En distintas variantes del modelo para el reservorio la autocorrelación presenta diferentes regímenes. A tiempos menores que el tiempo de Debye, decae siempre cuadráticamente. Dependiendo del modelo, a tiempos intermedios hay decaimiento exponencial coincidente con la regla de Oro de Fermi, decoherencia exponencial o dinámica difusiva clásica ~ t -1/2. Finalmente al tiempo de Heisenberg del sistema aparecen ecos mesoscópicos. Se discute la aplicación de este modelo al estudio de la difusión de espines nucleares en moléculas lineales y a la decoherencia en la transferencia de carga entre dos centros de reacción.
La dinámica de sistemas cuánticos de muchos cuerpos, es de gran importancia para el \nestudio de la física de la materia condensada como para el de moléculas muy grandes \nen química y biología, y es además un problema muy desafiante de resolver debido a su \ngran complejidad y efectos antintuitivos que contiene. En la actualidad, existen muchas \npreguntas abiertas para entender sus dinámicas, en particular relacionadas a efectos de \nlocalización, no termalización e irreversibilidad de estas dinámicas. Recientemente, se \nha observado una nueva transición de fase en el comportamiento dinámico coherente \nde un sistema cuántico de muchos cuerpos en tres dimensiones, utilizando resonancia \nmagnética nuclear en un sistema en estado sólido a temperatura ambiente [G.A. Alvarez, \net al. Science 349, 846 (2015)]. Se observó que perturbando el hamiltoniano que \ngobierna la dinámica coherente, por encima de un valor crítico, la extensión espacial de \nlas superposiciones cuánticas creadas por la evolución se localizan. En este trabajo de \nmaestría se estudiaron analíicamente y numéricamente dinámicas cuánticas en cadenas \nde espines emulando condiciones análogas a las de los experimentos realizados. Se \nsimularon dinámicas perturbadas, y se las revirtieron en el tiempo con el hamiltoniano \nsin perturbar. Este fenómeno de reversión temporal, genera un eco cuya magnitud cuanti \nca los efectos de la perturbación y la irreversivilidad temporal de esta dinámica. Se \nrealizaron diferentes simulaciones, con distintas perturbaciones y sistemas, con el fin de \nanalizar la conexión entre el decaimiento del eco de la reversión temporal y los efectos \nde localización observados experimentalmente. Se implemento una técnica basada en \nel paralelismo cuántico para simular dinámicas de muchos espines, llegando a simular \ncadenas de N = 18 espines. Se observaron efectos de localización en las dinámicas simuladas \nanálogos a los observados experimentalmente. Se identicaron distintos regímenes \nde crecimiento del tamaño de correlación de las superposiciones cuánticas creadas durante \nla evolución. Con estas simulaciones se reprodujeron además los comportamientos \nde los decaimientos de los ecos observados experimentalmente, comparando las tasas \nde decaimiento de los ecos en función de la perturbación. Se identicaron tres regímenes \ndinámicos que dictan las leyes de decaimiento de los ecos. Un decaimiento inicial \ncuadrático/gausiano en el tiempo, seguido por un régimen de decaimiento exponencial, \nterminando por último en un nuevo régimen de decaimiento gausiano a tiempos largos. \nLos primeros dos regímenes son independientes del tamaño del sistema, dependen de \nla perturbación y de la condición inicial del sistema y muestran ser dependientes de \nlas leyes dinámicas que dictan el crecimiento del numero de espines correlacionados. \nEl tercer régimen, depende del tamaño del sistema, pero maniesta converger a un \nrégimen independiente del tamaño nito del sistema al extrapolar un crecimiento en \nN. Este régimen evidencia estar asociado a los efectos de localización observados en \nlas simulaciones. Se llegó a una expresión analítica de la tasa de decoherencia para los \nprimeros dos regímenes de decaimiento de los ecos en función de la perturbación y se \nutilizó para ajustar los datos experimentales. Observamos un excelente ajuste de las \ncurvas experimentales. Estos resultados proveen una nueva herramienta para utilizar \nlos ecos de reversión temporal para monitorear el comportamiento de la dinámica de \nmuchos cuerpos, y servirán como trabajo a futuro para re-analizar y re-interpretar los \ndatos experimentales observados en [G.A. Alvarez, et al. Science 349, 846 (2015)]. En \nconjunto los resultados de esta tesis proporcionan una nueva visión sobre las posibilidades \nde controlar sistemas cuánticos grandes, necesarias para el desarrollo de nuevas \ntecnologías cuánticas, como los sensores cuánticos, y contribuyen al entendimiento de \nlos orígenes de la irreversibilidad cuántica y los efectos de localización.
En esta tesis se estudia la dinámica de no equilibrio de sistemas cuánticos aislados de muchos cuerpos. El protocolo de no equilibrio estudiado es el de un quench cuántico, es decir, una perturbación abrupta al sistema que se produce al variar instantáneamente uno de los parámetros del Hamiltoniano. Estamos particularmente interesados en las escalas de tiempo y en los mecanismos de relajación de los sistemas cuánticos aislados. Para atacar este problema utilizamos una variedad de técnicas analíticas para indagar diversos modelos. En el Capítulo 2 utilizamos la bosonización en una dimensión para estudiar la relajación por dephasing (el mecanismo que domina a tiempos cortos) en un sistema de fermiones unidimensionales con interacciones de corto y largo alcance. En el Capítulo 3 investigamos la formación de estados metaestables de tiempos cortos (estados pretermalizados) como fruto de la evolución por dephasing en un sistema de fermiones en dos dimensiones usando bosonización multidimensional. En el Capítulo 4 deducimos ecuaciones de movimiento para funciones de correlación de pocos puntos en sistemas débilmente interactuantes utilizando el formalismo del operador proyección. En el Capítulo 5 utilizamos estas ecuaciones para analizar la dinámica de tiempos largos de un sistema unidimensional de fermiones cerca del punto integrable X X Z . En este Capítulo también estudiamos la dinámica de un sistema unidimensional de bosones usando la aproximación truncada de Wigner (TWA por sus siglas en inglés), una aproximación válida en el límite semiclásico. Los hallazgos de nuestro trabajo pueden enunciarse de manera suscinta: cuando los canales de relajación del sistema son escasos y para energías lo suficientemente bajas emergen estados metaestables entre el estado inicial y el estado final de la evolución. Éstos pueden tener vidas medias muy grandes y obturar completamente la observación del equilibrio térmico en simulaciones numéricas o en experimentos. Los estados metaestables surgen como resultado del dephasing entre ciertos modos cuasilibres del sistema. Además, tales estados estacionarios admiten una descripción estadística en términos de un ensamble de Gibbs generalizado que toma en cuenta todas las cantidades conservadas del modelo efectivo de tiempos cortos. A tiempos mayores las colisiones inelásticas llevan al equilibrio térmico final. En el Capítulo 6 se detallan las conclusiones de nuestro trabajo y diversas perspectivas abiertas.
El tema central de la tesis doctoral es el análisis de los sistemas cuánticos abiertos. Estos sistemas se caracterizan por estar sometidos a la interacción con el entorno, lo que provoca que su evolución deje de ser unitaria. Es por tanto necesario considerar modelos más allá de la ecuación de Schrödinger. Los sistemas cuánticos abiertos aparecen en numerosos campos, como la Física del Estado Sólido y la Dinámica Molecular. Por este motivo, un análisis detallado de sus propiedades y su dinámica es un tema digno de estudio con un gran abanico de aplicaciones. El enfoque elegido en esta tesis es el desarrollo de un formalismo geométrico que describa de forma adecuada las características de los sistemas cuánticos abiertos. La geometría diferencial ha demostrado ser una herramienta muy útil en el análisis de sistemas físicos. Desde mediados del siglo XX, se ha desarrollado con gran éxito una descripción geométrica de la Mecánica Clásica, principalmente en torno a las mecánicas lagrangiana y hamiltoniana. Por este motivo, resulta natural describir también los sistemas cuánticos en términos geométricos. Las ventajas de un formalismo geométrico resultan claras. Cuando tanto los sistemas clásicos como los cuánticos se describen en los mismos términos, es sencillo describir situaciones en las que existan interacciones clásico-cuánticas. Éste es el caso, por ejemplo, de muchos modelos de Dinámica Molecular, en los que los núcleos y los electrones son considerados respectivamente como partículas clásicas y cuánticas. Por otra parte, un formalismo geométrico de la Mecánica Cuántica posibilita un mejor entendimiento de las diferencias intrínsecas entre las teorías clásicas y las cuánticas. Dada su relevancia a lo largo de la tesis, el Capítulo 1 está enfocado al resumen y el análisis de la descripción geométrica de la imagen de Schrödinger de la Mecánica Cuántica. En formulación usual (algebraica), esta imagen se basa en la representación de los estados de los sistemas cuánticos mediante vectores en un espacio de Hilbert complejo. La transición a una formulación basada en geometría diferencial es inmediata para sistemas finito-dimensionales, dado que los espacios lineales de dimensión finita son casos triviales de variedades diferenciables. Las estructuras adicionales, en concreto el producto hermítico propio de los espacios de Hilbert y los escalares complejos, se describen mediante campos tensoriales en dichas variedades diferenciables, formando lo que se conoce como una estructura Kähler. Todos los ingredientes necesarios para el análisis de sistemas cuánticos pueden describirse en estas variedades de Kähler. Los observables se representan mediante funciones diferenciables, mientras que la dinámica se describe mediante curvas integrales de campos vectoriales hamiltonianos respecto a la forma simpléctica de la estructura Kähler. Esta caracterización puede llevarse a cabo en el espacio de Hilbert asociado a cualquier sistema cuántico finito-dimensional. Además, es posible analizar las propiedades geométricas del espacio proyectivo de Hilbert, el cual constituye el conjunto de estados puros del sistema. Su estructura Kähler puede ser deducida mediante un proceso de reducción de la estructura previamente obtenida en el espacio de Hilbert. Como aspecto novedoso, la tesis presenta en detalle este proceso de reducción, dotándolo de una descripción matemática adecuada. Todas las características de la imagen de Schrödinger pueden describirse de forma geométrica, lo que permite utilizar nuevas herramientas en el análisis de los sistemas cuánticos. Éste es precisamente el tema principal del Capítulo 2, en el cual se utilizan los sistemas de Lie-Kähler para resolver la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo. En geometría diferencial, un sistema de Lie es un sistema no homogéneo de ecuaciones diferenciales que admite una regla de superposición. En general, la obtención de esta regla de superposición es una ardua tarea, la cual puede aligerarse en presencia de estructuras adicionales que sean preservadas por la acción del sistema de Lie. De esta forma, según la estructura preservada, es posible hablar de sistemas de Lie-Hamilton, Lie-Dirac, etc. En el caso de la Mecánica Cuántica, una ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo es un sistema de Lie que preserva la estructura de Kähler previamente descrita. Es por tanto un nuevo tipo de sistema de Lie, al que resulta natural denominar de Lie-Kähler. El Capítulo 2 presenta las propiedades de estos nuevos sistemas y describe un método riguroso para la obtención de sus reglas de superposición. El formalismo geométrico puede extenderse más allá de la imagen de Schrödinger, lo que resulta necesario en el contexto de los sistemas cuánticos abiertos, dado que tanto estados puros como estados mezcla son necesarios para su descripción. Por este motivo, el Capítulo 3 resume la imagen de Heisenberg de la Mecánica Cuántica y su representación de los estados puros y mezcla como funcionales lineales en el álgebra de Lie-Jordan de observables. Se explica también como las estructuras algebraicas de los observables pueden representarse geométricamente en el espacio dual de funcionales lineales en el álgebra. Este es el punto de partida de una de las principales contribuciones de la tesis. Un proceso de reducción, similar al realizado en el análisis de la imagen de Schrödinger, permite describir las propiedades geométricas de la variedad de estados puros y mezcla del sistema. De esta forma, se obtienen dos campos tensoriales en la variedad de estados, los cuales representan correctamente las estructuras algebraicas de los observables. Puede por tanto concluirse que el formalismo geométrico presentado en la tesis es completamente equivalente a la descripción algebraica tradicional, ya que se logra describir adecuadamente todas las propiedades de los sistemas cuánticos. Además, el formalismo geométrico ofrece una visión más clara de las propiedades intrínsecas de la Mecánica Cuántica, lo que facilita una mejor comprensión de la teoría. Por otra parte, un análisis geométrico de la variedad de estados permite estudiar su estratificación y sus propiedades. La tesis demuestra que se trata de una variedad con borde, cuyos puntos extremales son precisamente los estados puros del sistema. La estratificación de esta variedad resulta importante a la hora de considerar la dinámica inducida por campos gradiente y hamiltonianos. Con el objetivo de ilustrar todas estas propiedades, se analizan unos casos sencillos pero con relevancia física. A lo largo de la tesis, se muestran diversas aplicaciones del formalismo geométrico al análisis de sistemas cuánticos abiertos. El Capítulo 4 presenta la descripción de la evolución markoviana de sistemas cuánticos abiertos. Se dice que una evolución es markoviana si depende únicamente en el estado actual del sistema y no de los estados en instantes anteriores, es decir, si el sistema "no tiene memoria". En Mecánica Cuántica, la evolución markoviana se obtiene a partir de la ecuación de Kossakowski-Lindblad, una ecuación diferencial de primer orden en la variedad de estados puros y mezcla de un sistema cuántico abierto. El formalismo geométrico describe esta ecuación como un campo tensorial en esta variedad, lo que permite analizar las propiedades de sus curvas integrales. De esta manera, es posible considerar diversos aspectos de la evolución markoviana desde un punto de vista geométrico. Cualquier evolución no-unitaria determina un cambio en las propiedades algebraicas de los observables cuánticos, lo que puede resultar en una contracción del álgebra. En términos geométricos, esta contracción puede entenderse mediante el límite de una familia de campos tensoriales definida por el flujo del campo tensorial de Kossakowski-Lindblad. Otra característica importante de esta evolución es la existencia de variedades límite. Sus propiedades pueden determinarse gracias a la estructura afín existente, lo que a su vez permite investigar su relación con las contracciones de álgebras de observables. Por último, se ofrece una descripción geométrica de los problemas de control de sistemas cuánticos abiertos. Un análisis geométrico de la Mecánica Cuántica permite aplicar a estos problemas los resultados de la teoría de control de grupos de Lie. Como consecuencia, es posible realizar una clasificación de los sistemas cuánticos abiertos según sus propiedades de controlabilidad. Otro ejemplo de sistemas cuánticos abiertos aparece en el contexto de la Dinámica Molecular. En el estudio de sistemas moleculares, debido al gran número de partículas presentes, la ecuación de Schrödinger no puede ser resuelta ni siquiera por métodos numéricos. Por tanto, resulta útil considerar aproximaciones a la ecuación de Schrödinger. En particular, existen muchos modelos que consideran un comportamiento clásico de algunas de las partículas, normalmente los núcleos. El Capítulo 5 resume las propiedades estos modelos moleculares, y en particular del conocido como modelo de Ehrenfest. Es posible llevar a cabo una descripción geométrica de este modelo, basándose en las descripciones de los subsistemas clásico y cuántico. Como resultado, las ecuaciones del modelo pueden escribirse como ecuaciones hamiltonianas en una variedad de Poisson. A partir de estas propiedades, la tesis presenta una generalización del modelo de Ehrenfest a distribuciones estadísticas. Este es un paso importante, ya que se demuestra que esta descripción estadística predice la aparición de efectos relacionados con el fenómeno de decoherencia, algo que no ocurre en el modelo de Ehrenfest estándar. Se han realizado simulaciones numéricas, cuyos resultados respaldan la descripción de sistemas moleculares mediante el modelo estadístico de Ehrenfest. Por último, en este contexto resulta posible considerar distribuciones estadísticas con temperatura. La tesis presenta estas dist
Esta tesis analiza la pérdida de coherencia de un sistema cuántico acoplado a un ambiente con dinámica propia, enfocando el estudio en los efectos relacionados con la presencia o ausencia de correlaciones espaciales y temporales en el ambiente. En una primera parte se considera un modelo de decoherencia por cadenas de espines, prestando especial atención a las consecuencias de una transición de fase del entorno. En la segunda parte se proponen experiencias de decoherencia controlada utilizando iones atrapados. En ambas partes, los modelos examinados permiten explorar los efectos de la localidad del acoplamiento entre sistema y entorno, y la evolución del entrelazamiento entre subsistemas en relación con las características del ambiente.
EN PRIMER LUGAR SE ESTUDIA LA APROXIMACION HIDRODINAMICA APLICADA A SISTEMAS CUANTICOS QUE PUEDE CONSIDERARSE COMO LA EXTENSION DEL FORMALISMO DE LA DENSIDADAL CASO DE SISTEMAS EN UN POTENCIAL EXTERNO DEPENDIENTE DEL TIEMPO EN TRES DIRECCIONES: A) PARTIENDO DE LA TEORIA CINETICA CUANTICA B) CONSIDERANDO EL PRINCIPIO VARIACIONAL QUE CONDUCE A LA ECUACION DE SCHRODINGER DEPENDIENTE DEL TIEMPO Y C) LA EXTENSION DEL TEOREMA DE HOHEMBERG Y KOHN AL CASO DINAMICO. EN LA REVISION SE RESALTAN DOS ASPECTOS: AUSENCIA DE EQUILIBRIO LOCAL EN LA DISTRIBUCION DE MOMENTOS Y PRESENCIA DE VORTICIDAD EN EL CAMPO DE VELOCIDADES. PARA INCLUIR ESTOS DOS ASPECTOS PROPONEMOS UNA DENSIDAD LANGRANGIANA CON UN TERMINO CUADRATICO EN LA VELOCIDAD Y EN EL GRADIENTE DE LA DENSIDAD. ESTE TERMINO ES EQUIVALENTE A LA EXISTENCIA DE UNA MASA COLECTIVA TENSORIAL. ANALIZAMOS EL CASO SENCILLO DE UNA MASA COLECTIVA ESCALAR DEPENDIENTE DE LA DENSIDAD OBTENIENDO LOS MODOS NORMALES DE OSCILACION EN TORNO A LA DENSIDAD DE EQUILIBRIO PARA UN SISTEMA FINITO DE NUCLEONES SATURADO EN ESPIN E ISOESPIN. ANALIZAMOS EL COMPORTAMIENTO DE LAS FRECUENCIAS DENSIDADES DE TRANSICION Y CAMPOS DE VELOCIDADES EN FUNCION DE LA MASA COLECTIVA UTILIZADA Y COMPARAMOS CONOTRAS DESCRIPCIONES DE TIPO FLUIDODINAMICO. EN LA SEGUNDA PARTE ESTUDIAMOS LA FORMULACION DE LA TEORIA DEL FUNCIONAL EN TERMINOS DEL POTENCIAL EN LUGAR DE LA DENSIDAD ELECTRONICA. COMENTAMOS NUESTRA APLICACION DE LA PRIMERA VERSION DE LA ECUACION DE ENGLERT-SCHWINGER AL GRAFITO Y PROPONEMOS UN METODO QUE NOS PERMITE PASAR DE UN FUNCIONAL DE LA DENSIDAD A OTRO DEL POTENCIAL Y QUE EN SU FORMA APROXIMADA HEMOS APLICADO PARA OBTENER UNA ECUACION DIFERENCIAL DE SEGUNDO ORDEN PARA EL POTENCIAL DONDE ESTAN INCLUIDOS LOS EFECTOS DE LA CORRELACION ADEMAS DEL INTERCAMBIO Y DE LA PRIMERA CORRECCION POR INHOMOGENEIDAD.
En los últimos años, ha habido un creciente interés en la posibilidad de manipular \nel estado superconductor fuera del equilibrio. Dentro del formalismo de BCS, \nla mayoría de los trabajos teóricos han estudiado el problema de un cambio súbito \nen la interacción atractiva, suponiendo que el sistema se encuentra perfectamente \naislado. El resultado más importante es la existencia de tres fases dinámicas diferentes, \nque corresponden respectivamente con una amortiguación, un sobreamortiguamiento \nu oscilaciones persistentes del parámetro de orden superconductor. Sin \nembargo, para describir correctamente sistemas reales de materia condensada y átomos \nfríos, es necesario tener en cuenta los efectos de disipación que aparecen debido \na la presencia inevitable del medio ambiente: un desafío teórico que no ha sido resuelto \nhasta el momento para superconductores fuera de equilibrio y que hemos \nabordado en esta tesis. En este caso, sin importar cuán grande sea el cambio en la \ninteracción atractiva, el parámetro de orden superconductor tiende al parámetro de \norden de equilibrio que corresponde a la nueva interacción atractiva, en un tiempo \ncaracterístico que depende del acoplamiento con el baño externo (el baño externo \nabsorbe toda la energía extra y permite al sistema alcanzar su estado fundamental \na tiempos largos). Hemos demostrado que el proceso de termalización podría ocurrir \nen una escala de tiempo tal que la fase sincrónica (oscilaciones persistentes) y la \nfase de oscilaciones amortiguadas del parámetro de orden, difícilmente puedan ser \ndistinguidas en los experimentos. \nEn la segunda parte de la tesis, estudiamos la dinámica fuera de equilibrio de un \nsuperconductor BCS en presencia de una perturbación periódica de alta frecuencia \ny un baño externo, en equilibrio, que agrega disipación al problema. Para tiempos \ncortos comparados con el tiempo de relajación de energía, un conjunto de excitaciones \nde cuasipartículas entra en resonancia y realiza oscilaciones de Rabi sincrónicas \ncon una frecuencia que depende de la amplitud de la perturbación periódica. Como \nconsecuencia, aparece un nuevo modo colectivo (modo Rabi-Higgs) en la dinámica \ntransitoria del parámetro de orden superconductor. A tiempos largos, en el estado \nestacionario, este modo se desvanece y se produce una saturación en el desbalance \nde la población de cuasipartículas, análogo a lo que sucede en problemas de óp \ntica cuántica. Finalmente, se discute la viabilidad de dos técnicas experimentales \nbasadas en fotoemisión y microscopía de efecto túnel para detectar oscilaciones de \nRabi-Higgs. Aún en presencia de disipación debida al acoplamiento con el baño, \nse demuestra cómo ambas espectroscopías son apropiadas para la futura detección \nexperimental de estas no linealidades.