En este artículo, discutimos varios aspectos de la transición de fase cuántica, con especial énfasis en la transición metal-aislante. Comenzamos con una revisión de trabajos claves experimentales y teóricos realizado por científicos que hicieron contribuciones históricamente importantes al campo. Posteriormente discutimos cómo la adición de dopaje a un sistema reduce la temperatura crítica de la transición de fase. Aunque muchos aspectos de la transición de fase cuántica siguen siendo un problema abierto, se han hecho progresos considerables para revelar la física subyacente, tanto teórica como experimentalmente.
En este artículo, discutimos varios aspectos de la transición de fase cuántica, con especial énfasis en la transición metal-aislante. Comenzamos con una revisión de trabajos claves experimentales y teóricos realizado por científicos que hicieron contribuciones históricamente importantes al campo. Posteriormente discutimos cómo la adición de dopaje a un sistema reduce la temperatura crítica de la transición de fase. Aunque muchos aspectos de la transición de fase cuántica siguen siendo un problema abierto, se han hecho progresos considerables para revelar la física subyacente, tanto teórica como experimentalmente.
El objetivo de este trabajo es realizar un estudio sobre las transiciones de fase cuánticas que se presentan en el modelo de Rabi, un modelo de interacción radiación-materia entre un átomo de dos niveles y un campo bosónico. Presentaremos y analizaremos su hamiltoniano para, a partir del mismo, caracterizar las transiciones de fase cuánticas que afectan tanto al estado fundamental como a los estados excitados del sistema. Primero analizaremos la transición en el estado fundamental, realizando el estudio cuántico mediante cálculos numéricos y luego haciendo un estudio analítico dentro de una aproximación semiclásica. Ello nos permitirá comparar los resultados y comprobar la validez de esta aproximación. Después, analizaremos la transición en los estados excitados, comparando de nuevo el estudio analítico con los cálculos numéricos, exactos. Veremos que la transición de fase en el estado fundamental se debe al cambio del potencial que observa el sistema, causando la rotura de la simetría de dicho estado. Por otro lado, comprobaremos que la transición en los estados excitados solo puede ocurrir cuando ya se ha dado la transición en el estado fundamental, y veremos que se caracteriza por la degeneración en niveles de energía inferiores a cierto valor crítico. En todos los casos, comprobaremos que los cálculos semiclásicos y los exactos coinciden cuando el cociente entre las energías que caracterizan al átomo y al campo bosónico tiene un valor grande comparado con 1. Para conseguirlo, hemos desarrollado desde cero diversos códigos MATLAB con el objetivo de poder realizar los cálculos necesarios para caracterizar las transiciones. En concreto, para estudiar la transición de fase en el estado fundamental, hemos desarrollado un código que permite obtener la energía del estado fundamental del sistema y otro que permite calcular, para dicho estado, el valor esperado del número de fotones y de σz, observables que se discutirán en el texto. También hemos creado un código que muestra la forma del potencial que afecta al sistema en su estado fundamental. Del mismo modo, al estudiar la transición en los estados excitados, hemos creado un código que obtiene todos los niveles de energía del sistema, con el objetivo de calcular numéricamente la densidad de estados. Otro código permite comparar este cálculo con la expresión analítica que obtendremos de la densidad de estados, y otro último calcula el valor de σz en todos los estados del sistema. Por último, dos códigos nos permitirán crear imágenes que sirvan para ilustrar lo que sucede en las transiciones; el primero de ellos representa la forma del potencial que afecta al sistema en diversas situaciones; el segundo estudia la variación de los diez primeros niveles energéticos del sistema. Todo esto se desarrolla en el trabajo. Los códigos pueden consultarse en el apéndice.
El trabajo se estructura en 6 capitulos. El capitulo 1 posee fundamentalmente un caracter de introduccion teorica a las herramientas de campo medio que se usan en los diferentes modelos que se presentan, ademas de introducirse otros conceptos que apareceran a lo largo del trabajo. El capitulo 2 tambien constituye una introduccion teorica en la que se realiza un breve analisis del concepto de la decoherencia y sus implicaciones en la Mecanica Cuantica, poniendo especial enfasis en el problema de la medida y como la introduccion del ambiente permite una posible solucion a dicho problema. En este capitulo se presentara la matriz densidad como herramienta basica de trabajo para estudiar el factor de decoherencia.El capitulo 3 se puede dividir en dos bloques. Un primer bloque dedicado la modelo vibronico U(4) y un segundo bloque dedicado a su limite 2D, el modelo U(3). En ambos bloques se expondran las propiedades algebraicas de los dos modelos asi como las diferentes cadenas de simetria que se obtienen. Estos modelos presentan una QPT y usando el formalismo de estados intrinsecos se estudiara la transicion de fase entre la fase simetrica y la fase no simetrica. Sin embargo, se sabe que este metodo es correcto unicamente en el orden mas alto en el desarrollo en potencias de N, donde N es el numero de bosones. Nosotros nos basaremos en el metodo desarrollado en [15] para ir mas alla de este orden y calcular correcciones de tamano finito a varios observables espectroscopicos. Para ello, se introducira la transformacion de Holstein-Primako_ que proporcionara un hamiltoniano en serie de potencias de N donde unicamente se consideraran los terminos en orden mas alto: N, N1/2 y N0. Despues, mediante el uso de una transformacion de Bogoliubov se conseguira la diagonalizacion del hamiltoniano, con lo que se obtendran expresiones analiticas para el estudio del sistema tanto en la fase simetrica como en la no simetrica. Dichas expresiones analiticas se compararan posteriormente con los calculos numericos obtenidos de resolver el problema exactamente en una base adecuada. Ademas, se llevara a cabo un estudio de escalado del sistema por tamano finito que nos permitira extraer los exponentes criticos de los observables espectroscopicos analizados.El capitulo 4 esta dedicado a otro sistema de dos niveles, el modelo de Lipkin. Este modelo guarda una estrecha relacion con el modelo vibronico tal y como se vera en el capitulo 3. Dicha relacion quedara mas patente con la eleccion que se realizara del estado intrinseco para estudiar el diagrama de fases del modelo vibronico. De hecho podemos afirmar que un modelo vibronico con simetria axial se comporta como un modelo de Lipkin. Por este motivo, todo el estudio que se realice en campo medio para el modelo vibronico sera aplicable al modelo de Lipkin, ya que las expresiones que se obtendran son formalmente analogas. Asi pues, en este capitulo nos centraremos en la influencia que tiene una transicion de fase cuantica sobre el fenomeno de la decoherencia. Ahora bien, se sabe que el citado modelo presenta tanto una QPT como una ESQPT, y dependiendo del valor de los parametros concretos del sistema, la ESQPT puede ser de primer o segundo orden. De modo que el analisis se realizara para ambos tipos de transicion. Para tal proposito, se presenta un sistema constituido por un qubit interactuando con un bano bosonico que vendra descrito por el modelo de Lipkin. El estudio de la decoherencia se realizara tanto empleando las tecnicas mas alla de campo medio desarrolladas en el modelo vibronico, como usando la aproximacion de Tamm-Dancoff (TDA) [28] y TDA a segundo orden. Todos los resultados se compararan una vez mas con la solucion exacta del problema y se analizara la relacion entre la transicion de fase que experimenta dicho sistema con la decoherencia. Ademas se incluira un estudio de escalado por tamano finito del factor de decoherencia.En el capitulo 5 se estudiaran tres modelos que describen un campo bosonico de un unico modo interactuando con un subsistema algebraico basado o bien en el algebra SU(1; 1) o en el SU(2). El modelo SU(1; 1) es un modelo de juguete util para la descripcion de la formacion y disociacion de moleculas diatomicas y atomos independientes [16]. El hamiltoniano SU(2) representa al modelo de Dicke [27] o al modelo de Jaynes-Cummings (JC) [17] (tambien conocido como modelo de Tavis-Cummings [29]). Estos dos ultimos modelos poseen interes en Optica Cuantica y describen a un sistema de atomos susceptibles a ocupar dos niveles interactuando con un campo de radiacion. Mientras que el modelo SU(1; 1) y el modelo de Jaynes-Cummings son integrables, el modelo de Dicke no lo es. Todos ellos son sistemas de dos niveles que presentan tanto una QPT como una ESQPT. Asi pues, en primer lugar se analizaran las transiciones de fase con una aproximacion semiclasica, en particular las relacionadas con las transiciones de fase de estados excitados. Despues se introducira el concepto de quantum quench, analizandose la influencia que tiene una ESQPT sobre este. Por ultimo, relacionaremos la presencia de caos cuantico en el modelo no integrable de Dicke con los precursores de la ESQPT en el mismo.En el ultimo capitulo se presentara un resumen y las conclusiones de los principales resultados de este trabajo.
Entre las aportaciones más significativas que ha hecho la Electrónica Cuántica en los últimos años, dentro del campo de los dispositivos con uso potencial en diferentes terrenos, se encuentra, sin duda, el de la Biestabilidad Optica. Desde su planteamiento teórico por Szóke, en 1969, hasta la primera aparición de un elemento que ofreciese en el laboratorio propiedades experimentales concordantes con dicha teoría, pasaron exactamente seis años. Desde 1969, Szóke no ha vuelto a publicar ningún artículo en este campo, pero los investigadores que desde 1975 comenzaron a trabajar en él, lo han hecho hasta nuestros días con una ley prácticamente exponencial. Si se analizan con un cierto detalle, por otra parte, las tendencias previas de los diferentes grupos puede verse que, la mayor parte de ellos, provienen de ramas de la Electrónica Cuántica dedicados al estudio de fenómenos no-lineales de interacción radiación-materia. Pero hay también un número muy apreciable de otros grupos que habían estado trabajando en problemas de transiciones de fase en sistemas fuera del equilibrio, en física de materiales, tanto semiconductores como no semiconductores en física matemática y recientemente, en comunicaciones ópticas y en tecnología de ordenadores.
El meu doctorat esta dedicat a analitzar transicions de fases quantiques de naturalesa exotica en sistemes fortament correlacionats descrits per Hamiltonians de spin. D'una banda, m'he centrat en l'estudi de transicions de fase quantiques localitzades a prop de punts multicr itics. Aquests punts son particularment patologics ja que diverses fases quantiques coexisteixen en una petita regio de parametres del Hamiltonia. Aquest fet, tal i com argumentare al llarg de la tesis, condiciona palesament les propietats mostrades pel sistema fortament correlacionat. De l'altre, tambe he investigat transicions de fase quantiques cap a liquids de spin quantics que son fases exotiques de la materia que apareixen en alguns sistemes frustrats. Aquestes fases es situen a l'avantguarda de la recerca en materia condensada ja que son, teorica i experimentalment, molt dificils de caracteritzar. La recerca presentada es pot dividir en tres parts. La primera part tracta sobre comportaments insolits que pateix l'entrellacament quantic, mes conegut com a entanglement, en algunes cadenes de spin. La rellevancia de les fluctuacions quantiques creix en baixes dimensions i per tant els sistemes unidimensionals ofereixen un bon ventall de possibilitats per analitzar el paper de les fluctuacions quantiques en transicions de fase quantiques. Alguns calculs han estat realitzats en models de spin-1/2 i d'altres en sistemes de spin-1. La segona part de la meva tesis tracta de sistemes quantics frustrats i, particularment, de la presencia de liquids de spin. La frustracio reflecteix la impossibilitat de satisfer simultaniament totes les restriccions imposades per alguns Hamiltonians. Es una propietat intrinseca d'alguns sistemes fortament correlacionats, com ara els gels classic de spins o models quantics antiferromagnetics en 2D. Aquesta incompatibilitat fa que sovint sigui molt dificil minimitzar-ne l'energia per a trobar l'estat fonamental. Molts sistemes frustrats s'ordenen a baixes, o inclus zero, temperatures pero tambe hi ha estats que no s'ordenen i que queden fora de la teoria de les transicions de fase de Landau, presentant aixi una estructura subjacent extraordinaria. Els liquids de spin pertanyen a aquest segon tipus. El meu enfocament per a estudiar-los ha consistit en desenvolupar un nou metode numeric fent servir unes condicions de contorn degudament dissenyades. Aixo m'ha permes detectar-ne inequivocament algunes de les empremtes caracteristiques de la seva naturalesa. L'ultima part de la meva recerca l'he dedicada a descriure i analitzar models frustrats de spin quantics mitjancant una tecnica anomenada modified spin wave theory. L'us d'aquesta tecnica analitica m'ha permes contrastar l'aplicacio i validesa de l'enfocament numeric que he desenvolupat i tambe m'ha permes aprofundir en l'estudi dels liquids de spin. Finalment, voldria mencionar que la primera i tercera part de la meva tesis va ser principalment duta a terme durant els mesos que vaig passar com a investigador predoctoral visitant a la Queen's University of Belfast (Regne Unit) en el grup del Dr. G. de Chiara al 2016 i a la Universitat Heidelberg (Alemanya) en el grup del Junior Prof. P. Hauke l'any 2018 respectivament.
El conocimiento de las transiciones de fase cuanticas es un hecho relevante en los problemas cuanticos de muchos cuerpos. La existencia de transiciones de fase cuanticas esta intimamente ligada con la variacion de las fluctuaciones cuanticas y, por lo tanto, las relaciones de incertidumbre juegan un papel central en su analisis. Del mismo modo, resulta muy clarificador el analisis de este fenomeno en el espacio de las fases. Existen multitud de situaciones en fisica en las que las fluctuaciones cuanticas juegan un papel importante. En este trabajo se han considerado dos modelos paradigmaticos: un modelo de interaccion fermion-boson como es el denominado modelo de Dicke (modelo de gran importancia en optica cuantica y fisica mesoscopica) y un modelo de interaccion boson-boson, el conocido como modelo vibron U(3) (utilizado en la descripcion de transiciones de fases en sistemas bosonicos de muchos cuerpos en fisica nuclear y molecular).
El primer objetivo de esta tesis ha sido la cuantificacion de las transiciones de fase cuanticas mediante relaciones de incertidumbre entropicas (haciendo uso de las entropias de Renyi). Este estudio se ha llevado a cabo en el capitulo 2 en los modelos de Dicke y vibron U(3), de forma exacta y mediante aproximaciones variacionales.
En segundo lugar, se ha propuesto el analisis de las transiciones de fase cuanticas en el espacio de las fases. La mecanica cuantica ofrece diferentes distribuciones para este analisis. En los capitulos 3 y 4 se presenta el analisis de estas transiciones de fase mediante la distribucion de Husimi (tanto de forma exacta como mediante aproximaciones analiticas variacionales) poniendose de manifiesto su utilidad mediante el analisis de las razones de participacion inversa o la entropia de Wehrl. Asimismo se ha obtenido una caracterizacion de las distintas fases mediante los ceros de la distribucion de Husimi en un contexto variacional para el modelo de Dicke (capitulo 3) y para el modelo vibron U(3) (capitulo 4).
En el capitulo 5, se ha estudiado el entrelazamiento y la deslocalizacion en el estado fundamental en el modelo vibron en dos dimensiones para moleculas de tamano N finito. Uno de los resultados mas interesantes ha sido la manifestacion de entrelazamiento roto-vibracional en la fase flexionada del modelo vibron, resultado puesto de manifiesto por primera vez en la literatura y estudiado mediante los cuantificadores usuales: entropia lineal, entropia de von Neumann y la razon de participacion inversa. Se ha senalado la importancia de la simetria de paridad para una adecuada descripcion del entrelazamiento y deslocalizacion en el sistema en la aproximacion variacional.
Finalmente, en el capitulo 6 se han expuesto las conclusiones de los estudios realizados en esta tesis.