Elektrische Ströme werden üblicherweise durch eine externe Spannung hervorgerufen, die zu einem dissipativen Ladungstransport in Richtung des Gradienten führt. Schon in der Antike war jedoch bekannt, dass eine gerichtete Bewegung auch durch periodische Modulation eines Systems erzeugt werden kann wie etwa bei der Archimedes-Schraube. Ein quantenmechanisches Analogon wurde 1983 von David Thouless vorgeschlagen - die topologische Ladungspumpe. In einem solchen 1D System werden Teilchen durch eine adiabatische, zyklische Änderung des Hamilton-Operators gezielt in eine Richtung bewegt. Erstaunlicherweise können damit selbst in normalerweise isolierenden Medien Ströme erzeugt werden. Darüber hinaus ist die Bewegung für homogen besetzte Bänder in periodischen Potentialen quantisiert. Diese Quantisierung kann auf eine höherdimensionale topologische Invariante, die erste Chern-Zahl, zurückgeführt werden. Eine 1D topologische Ladungspumpe kann daher als eine dynamische Version des 2D Quanten-Hall-Effekts aufgefasst werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, Quanten-Hall-Physik auch in höherdimensionalen Räumen experimentell zu untersuchen. Für 4D Systeme wurde ein neuartiger Quanten-Hall-Effekt vorhergesagt, bei dem ein quantisierter nichtlinearer Hall-Strom auftritt, der 4D topologische Eigenschaften aufweist. Dieser 4D Quanten-Hall-Effekt stellt das fundamentale Modell dar, auf dem die meisten niederdimensionalen topologischen Isolatoren basieren, und weist faszinierende Randeffekte wie isolierte Weyl-Punkte auf. Diese Arbeit befasst sich mit der experimentellen Realisierung von 1D und 2D topologischen Ladungspumpen für ultrakalte bosonische Atome in optischen Übergittern. Durch die periodische Modulation eines 1D Übergitters wird eine Bewegung von Atomen in einem fraktionellen Mott-Isolator induziert. Diese wird mit Hilfe von in-situ Abbildungen und sogenanntem site-resolved band mapping quantitativ vermessen. Damit wird zum ersten Mal für eine topologische Ladungspumpe ein quantisierter Transport in einem ausgedehnten System beobachtet. Daneben werden die Transporteigenschaften des ersten angeregten Bandes untersucht, in dem die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung erfolgt. Dieses anomale Verhalten belegt unzweifelhaft den quantenmechanischen Ursprung dieses Transports. Des Weiteren kann in diesem Band die Existenz eines topologischen Übergangs in Abhängigkeit der Gittertiefen nachgewiesen werden. Mit Hilfe einer 2D topologischen Ladungspumpe wird eine dynamische Version des 4D Quanten-Hall-Effekt realisiert. Dessen Hauptmerkmal, der nichtlineare Hall-Strom, wird in einem zeitabhängigen, gewinkelten 2D Übergitter in-situ beobachtet - der erste Nachweis einer Bewegung mit intrinsischer 4D Symmetrie. Mit einer kleinen Atomwolke werden die geometrischen Eigenschaften dieser Bewegung lokal bestimmt und daraus das Verhalten eines unendlich großen Systems rekonstruiert. Die Quantisierung des Transports kann durch die Bestimmung der damit verknüpften 4D topologischen Invarianten, der zweiten Chern-Zahl, nachgewiesen werden. Die Nichtlinearität dieser Bewegung wird aufgezeigt, indem ihre Abhängigkeit von den verantwortlichen externen Störungen untersucht wird. Die hier zusammengefassten Ergebnisse stellen den ersten Schritt der Erforschung topologisch nichttrivialer Phasen in höherdimensionalen Systemen dar.
Elektrische Ströme werden üblicherweise durch eine externe Spannung hervorgerufen, die zu einem dissipativen Ladungstransport in Richtung des Gradienten führt. Schon in der Antike war jedoch bekannt, dass eine gerichtete Bewegung auch durch periodische Modulation eines Systems erzeugt werden kann wie etwa bei der Archimedes-Schraube. Ein quantenmechanisches Analogon wurde 1983 von David Thouless vorgeschlagen - die topologische Ladungspumpe. In einem solchen 1D System werden Teilchen durch eine adiabatische, zyklische Änderung des Hamilton-Operators gezielt in eine Richtung bewegt. Erstaunlicherweise können damit selbst in normalerweise isolierenden Medien Ströme erzeugt werden. Darüber hinaus ist die Bewegung für homogen besetzte Bänder in periodischen Potentialen quantisiert. Diese Quantisierung kann auf eine höherdimensionale topologische Invariante, die erste Chern-Zahl, zurückgeführt werden. Eine 1D topologische Ladungspumpe kann daher als eine dynamische Version des 2D Quanten-Hall-Effekts aufgefasst werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, Quanten-Hall-Physik auch in höherdimensionalen Räumen experimentell zu untersuchen. Für 4D Systeme wurde ein neuartiger Quanten-Hall-Effekt vorhergesagt, bei dem ein quantisierter nichtlinearer Hall-Strom auftritt, der 4D topologische Eigenschaften aufweist. Dieser 4D Quanten-Hall-Effekt stellt das fundamentale Modell dar, auf dem die meisten niederdimensionalen topologischen Isolatoren basieren, und weist faszinierende Randeffekte wie isolierte Weyl-Punkte auf. Diese Arbeit befasst sich mit der experimentellen Realisierung von 1D und 2D topologischen Ladungspumpen für ultrakalte bosonische Atome in optischen Übergittern. Durch die periodische Modulation eines 1D Übergitters wird eine Bewegung von Atomen in einem fraktionellen Mott-Isolator induziert. Diese wird mit Hilfe von in-situ Abbildungen und sogenanntem site-resolved band mapping quantitativ vermessen. Damit wird zum ersten Mal für eine topologische Ladungspumpe ein quantisierter Transport in einem ausgedehnten System beobachtet. Daneben werden die Transporteigenschaften des ersten angeregten Bandes untersucht, in dem die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung erfolgt. Dieses anomale Verhalten belegt unzweifelhaft den quantenmechanischen Ursprung dieses Transports. Des Weiteren kann in diesem Band die Existenz eines topologischen Übergangs in Abhängigkeit der Gittertiefen nachgewiesen werden. Mit Hilfe einer 2D topologischen Ladungspumpe wird eine dynamische Version des 4D Quanten-Hall-Effekt realisiert. Dessen Hauptmerkmal, der nichtlineare Hall-Strom, wird in einem zeitabhängigen, gewinkelten 2D Übergitter in-situ beobachtet - der erste Nachweis einer Bewegung mit intrinsischer 4D Symmetrie. Mit einer kleinen Atomwolke werden die geometrischen Eigenschaften dieser Bewegung lokal bestimmt und daraus das Verhalten eines unendlich großen Systems rekonstruiert. Die Quantisierung des Transports kann durch die Bestimmung der damit verknüpften 4D topologischen Invarianten, der zweiten Chern-Zahl, nachgewiesen werden. Die Nichtlinearität dieser Bewegung wird aufgezeigt, indem ihre Abhängigkeit von den verantwortlichen externen Störungen untersucht wird. Die hier zusammengefassten Ergebnisse stellen den ersten Schritt der Erforschung topologisch nichttrivialer Phasen in höherdimensionalen Systemen dar.
Topologische Invarianten sind von zentraler Bedeutung für die Interpretation vieler Phänomene kondensierter Materie. In dieser Arbeit wird die erste Messung einer solchen Invarianten vorgestellt. Dazu wird ein neu entwickeltes Messprotokoll mit ultrakalten bosonischen Atomen in einem eindimensionalen optischen Gitter verwendet. Außerdem wird die Messung chiraler Meissner-Ströme in einer Leitergeometrie in einem künstlichen Magnetfeld sowie die Präparation sogenannter "Resonating Valence Bond"-Zustände (RVB) in vier Gitterplätze umfassenden Plaketten präsentiert. Das Hauptmerkmal des experimentellen Aufbaus ist ein Paar orthogonaler Übergitter-Potentiale, die es ermöglichen eine Vielzahl verschiedener Systeme zu simulieren. Die Modulation des Übergitters mit einem weiteren Paar interferierender Strahlen ermöglicht zu dem die Realisierung eines künstlichen Magnetfelds. Die Zak-Phase ist eine Invariante, welche die topologischen Eigenschaften eines Energiebandes charakterisiert. Sie ist definiert als die Berry-Phase eines Teilchens bei adiabatischem Durchlaufen eines Pfades im Quasiimpulsraum durch die Brillouinzone. Ein einfaches Beispiel für ein System mit zwei verschiedenen topologischen Klassen ist eine eindimensionale Kette mit alternierender Tunnelkopplungsstärke. Im Experiment können diese Klassen durch Messung der Differenz zwischen ihren Zak-Phasen $\Deta\Phi_\text{Zak}\approx\pi$ unter Verwendung von Bloch-Oszillationen und Ramsey-Interferometrie in Übergittern unterschieden werden. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Messung chiraler Meissner-Ströme von Bosonen in einer Leitergeometrie mit magnetischem Fluss, welche eines der einfachsten Modelle zur Beobachtung von Orbitaleffekten ist. Obwohl die Atome ladungsneutral sind und daher keine Lorentzkraft auf sie wirkt, kann durch eine externe Modulation im Übergitter ein künstliches Magnetfeld erzeugt werden. Die dadurch hervorgerufenen Wahrscheinlichkeitsströme auf beiden Seiten der Leiter wurden separat mit einer Projektionsmethode gemessen. Beim Ändern der Tunnelkopplung entlang der Leitersprossen wurde, in Analogie zu einem Typ-II Supraleiter, ein Übergang zwischen einer Meissner-artigen Phase mit gesättigtem maximalen chiralen Strom und einer Vortex-Phase mit abnehmendem Strom beobachtet. Dieses System mit ultrakalten Atomen kann auch als Analogon zur Spin-Bahn-Kopplung betrachtet werden. RVB-Zustände gelten als fundamental für das Verständnis von Hochtemperatursupraleitern. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich mit der Realisierung eines Minimalbeispiels solcher Zustände auf einer Plakette bei halber Füllung. In diesem System wurden die zwei RVB-Zustände mit s- und d-Wellen-Symmetrie sowie Superpositionen der beiden Zustände präpariert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente stellen einen neuen Ansatz dar, die topologischen Eigenschaften von Bloch-Bändern in optischen Gittern zu untersuchen; sie öffnen die Türen zur Erforschung von wechselwirkenden Teilchen in niedrigdimensionalen Systemen in einem homogenen Magnetfeld sowie der Eigenschaften des Grundzustandes des Heisenberg-Modells.
Mit dem in letzter Zeit erzieltem Fortschritt in der Detektion und Erzeugung von einzelnen Lichtteilchen geht ein stetiges Wachstum des Feldes der Kavitäts – Quantenelektrodynamik einher. Zusammen mit der alten Idee, die Quantenstatistik einer Quelle durch das Zählen der von ihr emittierten Teilchen zu bestimmen, führt dies natürlicherweise zu der Frage, ob durch die Anwendung der Methode der vollen Zählstatistik (Full Counting Statistic) neue physikalische Aussagen getroffen werden können. Als einen ersten Ansatz in diese Richtung behandelt das erste Kapitel dieser Arbeit das Dicke-Modell. Dieses beschreibt den Effekt einer erhöhten Abstrahlung aus einer Atomwolke, welcher auf die Kollektivität zurückgeht, die durch die Kopplung der Atome mit einer Kavitätsschwingung entsteht. Dieser Effekt ist in seiner zeitabhängigen Form zu Genüge studiert worden. Diese Arbeit richtet ihren Fokus daher auf die kontinuierliche Abstrahlung, die durch ein zusätzliches kollektives Pumpen der Atome entsteht. Im Rahmen der vollständigen Zählstatistik kann für den zeitabhängigen Effekt eine Entsprechung in der kontinuierlichen Abstrahlung gefunden werden. Zudem ist es möglich zu zeigen, dass höhere Kumulanten des Transportvorgangs sensitivere Indikatoren für die Kollektivität sind, als der Strom selbst. Zum Messen dieses Effektes wird ein Experiment mit einer Laser-gepumpten Kavität vorgeschlagen, indem die Atome in einer Nano-Zelle eingeschlossen sind. Der vorgeschlagene Aufbau sollte das einfache Manipulieren der relevanten Parameter erlauben. Im zweiten Teil der Arbeit wird die grundlegende Idee auf ein anderes System angewandt, dass einen rein quantenmechanischen Effekt zeigt. Die Quanten-Ising- Kette in einem transversalen Magnetfeld zeigt einen Quantenphasenübergang, eine grundlegende Änderung in Systemeigenschaften bei verschwindender Temperatur. Während diese Temperatur offensichtlich nicht in einem bosonischen Transportexperiment erreicht wird, stellt sich dennoch die Frage, ob der bosonische Strom durch solch ein quantenkritisches System Eigenschaften des Null-Temperatur-Verhaltens zeigt. Diese Frage kann mit Hilfe von Mastergleichungen beantwortet werden, die das analytische Herleiten des durch die Bosonen getragenen Energiestromes erlauben. Dieser Strom übernimmt nicht nur alle Eigenschaften des Null-Temperatur-Systems, sondern zeigt diese bereits bei endlichen Temperaturen. Durch die vielen bereits verfügbaren Quantensimulatoren für die Quanten-Ising-Kette sollte dieser Effekt mit modernen Technologien gemessen werden können. Der dritte Teil dieser Arbeit behandelt ein konzeptionell anderes Thema. Die ersten beiden Teile zeigten, das analytische Herleitungen von höheren Kumulanten in den benutzen Formalismen nicht möglich sind. Die Anwendung einer Bewegungsgleichungsmethode in der vollständigen Zählstatistik erlaubt die zumindest teilweise Umgehung dieses Problems. Für die Fragestellungen aus den ersten beiden Teilen ist es möglich, analytische Ausdrücke für das Rauschen des bosonischen Stromes herzuleiten. Die Herleitung noch höherer Kumulanten mit dieser Methode bleibt ein interessantes Ziel für die Zukunft.
Die Entdeckung des Quanten-Hall (QH) Effekts stellt die erste Beobachtung von topologischen Phasen in Quantensystemen dar: Physikalische (Transport-) Eigenschaften eines Festkörpers nehmen exakt ganzzahlige Werte an, unabhängig von mikroskopischen Details des Materials. Symmetriegeschützte topologische Zustände wurden mittlerweile vollständig klassifiziert und weitere topologische Ordnungen im Experiment beobachtet. Fragen bezüglich des Zusammenspiels von topologischen Eigenschaften und starker Teilchen-Wechselwirkung bleiben jedoch unbeantwortet: Interaktionen liegen dem fraktionalen QH-Effekt zugrunde und es wird vermutet, dass sie anyonische Anregungen hervorrufen können. Ultrakalte Atome in optischen Gittern bieten vielversprechende Möglichkeiten, um diese Theorien zu überprüfen. Die Realisierung topologischer Bandstrukturen und starker Wechselwirkung in diesen Experimenten stellt jedoch nach wie vor Schwierigkeiten dar. In dieser Arbeit untersuchen wir alternative Wege, um topologische Eigenschaften in Vielteilchensystemen zu realisieren und zu messen. Unserem Ansatz liegt die Analogie von 2D QH-Modellen, wie dem Hofstadter-Modell, und Familien von 1D Systemen, also topologischen Pumpen, zugrunde. Mittels numerischer Methoden untersuchen wir, ob es ähnliche Zusammenhänge in stark interagierenden Systemen gibt. Wir verwenden den DMRG Algorithmus, um Grundzustände wechselwirkender Gittermodelle zu finden. Dadurch beobachten wir Quantenphasenübergänge von einzelnen, endlichen Modellen, sowie topologische Phasenübergänge der Familien von Grundzuständen. Der erste Teil beschäftigt sich mit Familien von 1D Modellen. Wir stellen fest, dass das Hinzufügen von Wechselwirkungen zu Mott-isolierenden Phasen für halbgefüllte Bänder führt, welche nicht triviale topologische Eigenschaften haben können. Außerdem beobachten wir, dass Teilchen-Interaktion bereits existierende topologische Eigenschaften ändern kann: Einige Systeme unserer Familie entsprechen dem AB_2 ionischen Hubbard-Modell, welches einen wechselwirkungsbedingten, zweifachen Phasenübergang zu einem stark korrelierten Isolator aufweist. Für starke Wechselwirkungen ist die transportierte Ladung auch topologisch quantisiert, jedoch ändern sich Vorzeichen und Betrag der Chern-Zahl. Wir bestimmen den topologischen Index durch numerische Integration der Vielteilchen Berry-Krümmung und zeigen, dass er auch mittels des Massenzentrums gemessen werden kann. Im zweiten Teil behandeln wir die Beziehung von interagierenden 1D Ladungspumpen und wechselwirkenden 2D QH-Modellen. Um beide Systeme numerisch zu untersuchen betrachten wir das Hofstadter-Modell auf einem Zylinder und drücken es in gemischter Real- und Impulsraumbasis aus. In dieser können wir die Verbindung der interagierenden 1D und 2D Modelle parametrisieren. Die zylindrische Geometrie erlaubt uns außerdem topologische Eigenschaften zu bestimmen, indem wir permanente Ströme als Antwort auf ein lineares Potential berechnen. Wir können den topologischen Übergang der 1D Ladungspumpen reproduzieren, aber das Hofstadter-Hubbard-Modell bleibt durch einen topologischen Phasenübergang von stark wechselwirkenden 1D Systemen getrennt. Zwischen den 1D und 2D Hubbard Modellen finden wir ferromagnetische Grundzustände, welche einige topologische Eigenschaften erklären könnten.
Diese Arbeit befasst sich mit den kohärenten Effekten in mesoskopischen Systemen, die eindimensional sind.Mesoskopische Systeme sind besonders interessant, da ihre Grösse an der Grenze zwischen die mikroskopische Welt, die von der Quantenphysik regiert wird, und die makroskopische Welt, die den Gesetzen der klassischen Physik gehorcht, liegt.Um genauer zu sein, wir handeln mit Systemen, die gross genug sind, um viele konstituierende Teilchen zu haben, aber klein genug, um die Effekte der Quantenkohärenz dieser Teilchen zu zeigen.Sobald die mesoskopischen Systeme nur noch eindimensional sind, hat jede Störung einen tiefgreifenden Einfluss auf ihre Physik und kann neuartige Effekte hervorrufen, die sowohl für die Grundlagenwissenschaft als auch für praktische Anwendungen wichtig sind.Wir untersuchen daher, wie die häufigsten Störungen wie Wechselwirkungen zwischen Teilchen, der Einfluss der Umgebung, des externen Potenzials und der nichttrivialen Bandstruktur zusammenwirken, um neuartige Effekte in eindimensionalen mesoskopischen Systemen zu erzeugen.Die Arbeit gliedert sich logischerweise in drei Hauptteile, die insgesamt fünf Projekte umfassen.Der Hauptdarsteller des ersten Teils ist der stark wechselwirkende Quantendraht.Es ist bekannt, dass Wechselwirkungen eine Fülle interessanter Effekte in eindimensionalen Systemen hervorrufen, und im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir, wie einige dieser Effekte verändert werden, wenn der Draht mit externen Leitungen verbunden wird.Wir gehen über die Standardbeschreibung der Leitungen als Markov'sche Bäder mit ohmschem Rauschleistungsspektrum hinaus und betrachten sie stattdessen als Bäder mit endlicher Kapazität oder als Bäder mit nicht-ohmschen Rauschleistungsspektren. Zunächst untersuchen wir die Tunnelspektroskopie des mit den kapazitiven Leitungen verbundenen Drahtes und entdecken neue Regime, die sich durch verstärktes Tunneln bei niedrigen Energien und ein universelles Abklingen des Tunnels bei hohen Energien auszeichnen.Darüber hinaus zeigen die lokalen Tunnelmessungen die einzigartige räumliche Abhängigkeit, die die Bildung von stehenden plasmonischen Wellen im Draht kennzeichnet.Wir nutzen dann die Ergebnisse des ersten Projekts und gehen im zweiten Projekt einen Schritt weiter und untersuchen, wie die nichtohmschen Leitungen den Transport durch einen interagierenden Draht, der eine einzige rückstreuende Verunreinigung enthält, beeinflussen.Ohne Elektroden verschwindet die Leitfähigkeit durch den interagierenden Draht bei abstossenden Wechselwirkungen zwischen Elektronen, während sie bei anziehenden Wechselwirkungen endlich bleibt.Bei Vorhandensein von Ableitungen entdecken wir, dass bei bestimmten Energieskalen das nichtohmsche Rauschleistungsspektrum dazu führen kann, dass sich ein abstossend wechselwirkender Draht wie ein anziehend wechselwirkender Draht verhält und umgekehrt.Dieser Effekt iii iv manifestiert sich in der Leitfähigkeit durch den Draht, die in Experimenten direkt gemessen werden kann.Im zweiten Teil dieser Arbeit entfernen wir die Leitungen und fügen dem unendlich langen Draht eine räumlich verteilte Unordnung hinzu.Als Unordnung wählen wir ein lokales Potential mit einer quasiperiodischen Modulation, so dass das ganze System zu einem Quasikristall wird.Quasikristalle haben keine Translationssymmetrie und sind nicht periodisch, aber dennoch geordnet und deterministisch.Dies führt zu reichen Lokalisierungseigenschaften, wie z.B. fraktalen kritischen Wellenfunktionen, die im Raum zerfallen, aber nicht vollständig lokalisiert sind.Bei Vorhandensein von Wechselwirkungen können quasiperiodische Modelle lokalisierte Phasen mit vielen Körpern enthalten, in denen die Dynamik des Systems selbst bei extrem hohen Temperaturen eingefroren ist.Im ersten Projekt dieses Teils der Arbeit untersuchen wir, wie die kritischen Zustände durch eine Kaskade von bandselektiven Lokalisierungs-/Delokalisierungsübergängen in dem spezifischen, nicht wechselwirkenden quasiperiodischen Modell gebildet werden.In Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe erklären wir den für die Kaskade verantwortlichen Mechanismus und entdecken ein reichhaltiges Phasendiagramm.Im zweiten Projekt fügen wir die Wechselwirkungen zu demselben quasiperiodischen Modell hinzu und erhalten sein Mehrkörper-Lokalisierungsphasendiagramm.Wir zeigen, dass die Kaskade der Delokalisierungsübergänge, die im nicht interagierenden Fall gefunden wurde, selbst bei schwachen Interaktionen verschwindet.Das Thema des dritten Teils dieser Arbeit ist die Fabry-Pérot-Interferenz in zweidimensionalen Geräten.Obwohl das untersuchte Gerät nicht streng eindimensional ist, zeigen wir, dass die Physik durch ein effektives System von gekoppelten Quantendrähten mit unterschiedlichen Energiedispersionen beschrieben werden kann.Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit den experimentellen Kollegen durchgeführt, wobei wir den Transport durch einen Hohlraum in einem zweidimensionalen Material untersuchen, das durch Band-Inversion und Elektron-Loch-Hybridisierung gekennzeichnet ist.Wir stellen fest, dass die Elektron-Loch-Hybridisierung in band-invertierten Systemen eine kohärente Interferenz bei Transportmessungen ermöglichen kann.In solchen Systemen haben Leitungs-und Volanzbänder die Form eines Sombrero-Hutes, der in Kombination mit einer dominanten Elektron-Loch-Streuung an den Hohlraum-Blei-Grenzflächen parallele eindimensionale Transportkanäle erzeugt.Diese parallelen Transportkanäle haben die gleichen Bedingungen für konstruktive Interferenz, was zu einem nicht verschwindenden Interferenzmuster führt, selbst nach Mittelwertbildung über mehrere Einfallswinkel.Auf diese Weise entdecken wir einen neuen Mechanismus zur Realisierung der Fabry-Pérot-Interferenz in zweidimensionalen mesoskopischen band-invertierten Systemen, der bisher nur in eindimensionalen Geräten, wie z.B. in Nanoröhren, und in zweidimensionalen graphenbasierten Geräten demonstriert wurde.
Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Untersuchung von Phasen der Quantenmaterie, die dynamischer Natur sind, d.h. Phasen, welche durch das Treiben eines Quanten-Vielteilchensystems aus dem Gleichgewicht erzeugt werden. Die untersuchten Systeme sind offene Quanten-Vielteilchensysteme, die mit den Freiheitsgraden ihrer Umgebung gekoppelt sind. Im Gegensatz zu Quantenphasenübergängen von isolierter Quantenmaterie, welche in der Regel eng mit den Eigenschaften des Grundzustands und den entsprechenden statischen Ordnungsparametern verbunden sind, wie z. B. Transporteigenschaften, Korrelationslänge oder topologische Phänomene, kann in offenen Quantensystemen, welche effektiv durch nicht-hermitsche Dynamik beschrieben werden, kein Grundzustand definiert werden, und die Charakterisierung der dynamisch induzierten Phasen ist weniger offensichtlich. In unserer Forschung untersuchen wir zwei Fälle von dynamischen Phasen in Quanten-Vielteilchensystemen. Zunächst betrachten wir ``quantum quenches'' in getrieben-dissipativen quadratischen fermionischen Systemen. Ein quantum quench bezieht sich hier auf die abrupte Änderung eines Systemparameters und die Entwicklung eines Anfangszustandes gemäß diesen neuen Bedingungen, wodurch eine Dynamik außerhalb des Gleichgewichts entsteht. Im Gegensatz zu isolierten Quantensystemen, in denen solche Protokolle gut untersucht sind, sind quantum quenches in offenen Quantensystemen kaum erforscht. In diesem Zusammenhang finden wir eine neue Art von dynamischer Phase, die eng mit einer bestimmten verallgemeinerten Form von Thermalisierung verbunden ist. Diese Form der Thermalisierung wird durch eine kombinierte Paritäts-Zeit-Symmetrie der getrieben-dissipativen fermionischen Systeme garantiert. Ähnlich wie bei integrablen isolierten Quantensystemen, die lokal zu einem verallgemeinerten Gibbs-Ensemble relaxieren nachdem sie aus dem Gleichgewicht gebracht wurden, zeigen wir, dass paritätszeitsymmetrische quadratische fermionische Systeme zu einem statistischen Ensemble relaxieren, das wir das paritätszeitsymmetrische verallgemeinerte Gibbs-Ensemble (PTGGE) nennen. Darüber hinaus stellen wir fest, dass Nullmoden des PTGGE die Oszillationsperioden der topologischen (Un-)Ordnungsparameter bestimmen, die an dynamischen Phasengrenzen mit kritischen Skalierungsexponenten divergieren. Weiters deutet die Modifikation der langwelligen effektiven Beschreibung durch ein langreichweitig gekoppeltes Modell und die dadurch veränderten kritischen Exponenten stark auf ein universelles Verhalten hin. Messungsinduzierte Phasen und Übergänge sind ein weiteres Beispiel im Bereich der dynamisch erzeugten Phasen. In diesem Fall erzeugt das Zusammenspiel von unitärer Evolution und häufigen Messungen in einem Quanten-Vielteilchensystem eine stochastische Dynamik mit einem Übergang in der Skalierung der Verschränkung des stationären Zustands. Insbesondere in einem System, das bei rein unitärer Evolution eine volumensabhängige Skalierung der Verschränkungsentropie aufweist, unterdrücken häufige Messungen die Erzeugung von Verschränkung im Durchschnitt über viele Realisationen der stochastischen Entwicklung, was zu einer flächenabhängigen Skalierung führt. Eine gängige Erklärung für dieses Phänomen ist das Einfrieren der Dynamik aufgrund häufiger projektiver Messungen, die einen Quanten-Zeno-Effekt hervorrufen. Wir zeigen, dass die Unterdrückung der Verschränkungserzeugung nicht nur bei projektiven Messungen auftritt, sondern dass vielmehr ein verallgemeinerter Zeno-Effekt aufgrund verallgemeinerter Messungen ausreicht, um die kohärente Dynamik zu unterdrücken, was analoge Signaturen in den stationären Observablen für projektive und verallgemeinerte Messungen verursacht. Des Weiteren gehen wir auf eine aktuelle Kontroverse ein, in der die Existenz einer dynamischen Phase mit kritischer Verschränkungsskalierung für freie Fermionen unter kontinuierlicher Messung lokaler Besetzungszahlen diskutiert wird. Durch eine präzise numerische Analyse in Verbindung mit analytischen Vorhersagen, die aus einer replizierten Keldysh-Feldtheorie für verallgemeinerte Messungen abgeleitet wurden, sind wir in der Lage, starke Hinweise für das Fehlen einer ausgedehnten kritischen Phase vorzulegen und das theoretische Verständnis weiterzuentwickeln, indem wir zeigen, dass die Kritikalität auf einen gut definierten kritischen Bereich endlicher Längenskalen beschränkt ist.
Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen, der erste betrifft die Quantenmechanik, im zweiten geht es um Quantenkosmologie. Beiden liegt das Bestreben zu Grunde, den Übergang von klassischer Dynamik zu quantenmechanischem Verhalten zu verstehen, und die auftretenden Abweichungen zu analysieren. Im ersten Teil liegt das Interesse bei der semiklassischen Phase der Zeitentwicklung, in der zwar noch keine Revivalph\"anomene, auftreten, aber dennoch bereits Quanteneffekte zum tragen kommen. Es wird die Methode der Laplacetransformation eingeführt, mit deren Hilfe man die Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung angeben kann, wenn die Lösung der zeitunabhängigen Gleichung bekannt ist. Dabei ist es nicht nötig, Eigenzustände zu summieren oder das Pfadintegral zu Hilfe zu nehmen. Es werden die Propagatoren für das Kastenpotential, die Potentialstufe, das asymmetrische Kastenpotential (Kasten mit Ausgang) und die endliche Barriere hergeleitet. Die Lösungen geben anschaulich die Dynamik der Wellenpakete wieder und beinhalten das quantenmechanische Analogon zum klassischen Reflexionsprozess. Im Fall des Kastenpotentials gelingt es, die Spiegellösung herzuleiten, ohne dabei die Symmetrie des Potentials zu Hilfe zu nehmen. Es werden zwei Theoreme präsentiert, die zeigen, dass in einer bestimmten Phase der Zeitentwicklung nur bestimmte Terme der Spiegiellösung zum tragen kommen. Bei der Potentialsufe wird gezeigt, dass Wellenpakete, die eine niedrigere Enegrie als die der Stufe haben, nur während des Reflexionsprozesses in den verbotenen Bereich jenseits der Stufe hineinfließen. Der Reflexionskoeffizient für genügend konzentrierte Wellenpakete enspricht dem bekannten Wert für das zeitunabhängige Problem. Die Propagator für das asymmetrische Kastenpotential stellt sich als intuitive Kombination der Lösungen für das das gewöhnliche Kastenpotential und die Potentialstufe heraus. Dieses Ergebnis unterscheidet sich grundsätzlich von dem, was unter dem Gesichtspunkt der Darstellung als einer Kombination von Eigenzuständen erwartbar ist, da der Kasten mit Ausgang zum Unterschied vom unendlich hohen Potentialtopf sowohl gebundene als auch ungebundene Eigenzustände besitzt. Soweit bekannt ist, ist das Anfangswertproblem für das asymmetrische Kastenpotential noch nicht betrachtet worden. Bei der Untersuchung der endlichen Barriere ist es gelungen, den Hartmann Effekt in einem neuen Licht erscheinen zu lassen. Dieser besagt, dass für genügend dicke Barrieren die Tunnelzeit nicht von der Barrierendicke abhängt. Interessanter Weise ist es jedoch nicht ein Wellenpaket, das die Barriere verlässt, sondern es sind unendlich viele, die eines nach dem anderen hindurch tunneln. Die Zeit, die jedes davon für das Durchtunneln der Barriere benötigt hängt nicht von der Dicke der Barriere ab. Aber je dicker die Barriere ist, desto stärker werden die späteren Wellenpakete abgeschwächt. Um eine eindeutige Zeitentwicklung in der Quantenkosmologie zu erhalten, wurde die unimodulare Theorie anstatt der allgemeinen Relativitätstheorie als Ausgangspunkt für die kanonische Quantisierung verwendet. Diese Theorie ist praktisch ununterscheidbar von der allgemeinen Relativit\"atstheorie. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die kosmologische Konstante eine Erhaltungsgröße und nicht eine Naturkonstante ist. Da die unimodulare Theorie jedoch eine andere kanonische Struktur hat, führt sie auf eine Quantentheorie, die eine Zeitentwicklung zulässt. Im Rahmen des untersuchten Modells eines räumlich flachen Universums mit einem masselosen skalaren Feld werden Lösungen mit einer unitären Zeitentwicklung konstruiert. Im Gegensatz zu den geläufigen quantenmechanischen Modellen (wie den im ersten Teil untersuchten), bekommen die Lösungen in diesem Modell mit der Zeit in einem gewissen Sinn immer mehr klassischen Charakter. Außerdem ist es gelungen das Analogon zu den de Sitter Lösungen zu finden, indem bestimmte Symmetriebedingungen an die Lösungen gestellt werden. In einem expliziten Beispiel werden Lösungen präsentiert, die über die Singularität bei t=0 hinaus fortgesetzt werden können, wobei die minimale Ausdehnung das Universums endlich bleibt.