En la presente tesis se estudia teóricamente las propiedades del transporte coherente de un fotón en una guía de onda unidimensional acoplada a anillo microresonador del tipo WGR. Se estudia dos modelos de interés, en el primero se considera que los modos del microresonador son degenerados y se encuentran acoplados. El acoplamiento intermodal depende de una constante real y una fase, el cual se produce por la rugosidad del dispositivo. En el segundo modelo se considera que los modos del microresonador no están degenerados y no existe acoplamiento entre ellos. En primer lugar, se analiza la propagación del fotón en ambos sistemas cuando se encuentran en estado estacionario. Se calculan los espectros de transmisión, reflexión y densidad de estados donde se encontró efectos de interferencia cuánticos como resonancias Fano, efecto Dicke, EIT y la manifestación de estados oscuros. Luego, se estudia la dinámica de ambos sistemas modelando numéricamente la evolución temporal de un paquete de onda Gaussiano. Se encontraron efectos de atrapamiento, los que producen un efectivo confinamiento y almacenamiento de parte del paquete de ondas. Además, se determina que existen estados de tiempo de vida largos y cortos. Los resultados se analizan en función de los parámetros de quiebre de simetría de cada sistema.
En la presente tesis se estudia teóricamente las propiedades del transporte coherente de un fotón en una guía de onda unidimensional acoplada a anillo microresonador del tipo WGR. Se estudia dos modelos de interés, en el primero se considera que los modos del microresonador son degenerados y se encuentran acoplados. El acoplamiento intermodal depende de una constante real y una fase, el cual se produce por la rugosidad del dispositivo. En el segundo modelo se considera que los modos del microresonador no están degenerados y no existe acoplamiento entre ellos. En primer lugar, se analiza la propagación del fotón en ambos sistemas cuando se encuentran en estado estacionario. Se calculan los espectros de transmisión, reflexión y densidad de estados donde se encontró efectos de interferencia cuánticos como resonancias Fano, efecto Dicke, EIT y la manifestación de estados oscuros. Luego, se estudia la dinámica de ambos sistemas modelando numéricamente la evolución temporal de un paquete de onda Gaussiano. Se encontraron efectos de atrapamiento, los que producen un efectivo confinamiento y almacenamiento de parte del paquete de ondas. Además, se determina que existen estados de tiempo de vida largos y cortos. Los resultados se analizan en función de los parámetros de quiebre de simetría de cada sistema.
RESUMEN: En este trabajo de tesis doctoral, en el marco de electrodinámica cuántica de cavidades de la interacción de la luz y la materia bajo bombeos coherentes e incoherentes y disipaciones, se estudian dos sistemas físicos conformados por excitones y cavidades de cristal fotónico. El primer sistema consta de dos nano-cavidades con un punto cuántico embebido en una de ellas (molécula fotónica). Se estudia su dinámica por medio de la ecuación maestra sin un término de acople entre las cavidades y se calcula el espectro de fotoluminiscencia con el formalismo de funciones de Green. Se encontró que el bombeo excitónico puede suplir el término de acople entre las cavidades. El segundo sistema consta de dos puntos cuánticos inmersos en una cavidad de cristal fotónico (molécula de puntos cuánticos) con un término de tunelamiento entre ellos. En este sistema se estudian tres modelos de cuasipartículas en el estado estacionario, esquema de estados desnudos, molecular y polaritónico que profundizan en la física involucrada en los autoestados del hamiltoniano para tres conjuntos de parámetros que optimizan o maximizan las condiciones del gap energético. Se analizan a fondo, características de medidas cuánticas como la composición fraccional, la entropía lineal y la concurrencia, para determinar cual descripción da información física más detallada del sistema como el entrelazamiento y la pureza de los estados. Se analizan también, observables como el espectro de fotoluminiscencia, correlaciones de segundo orden, número medio de fotones y número medio de excitaciones.
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.
En esta Tesis Doctoral se investiga, para acoplamientos dependientes del tiempo, la dinámica y termodinámica de la interacción entre la materia y la radiación electromagnética, utilizando el formalismo de Máxima Entropía. Para un Sistema de dos Modos, acoplados a través de una interacción dependiente del tiempo, se demuestra la existencia de estados compactados a temperatura distinta de cero. Para el Hamiltoniano de Jaynes-Cummings dependiente del tiempo se presentan varios conjuntos infinitos de Operadores Relevantes que describen la física del modelo. Además se demuestra que la dinámica está restringida por la existencia de varios conjuntos infinitos de Invariantes del Movimiento. Para el Hamiltoniano de Jaynes-Cummings, con el agregado de un medio no-lineal del tipo Kerr, se encuentra que la no-linealidad induce una n de un Operador Relevante está dada por la Serie de Fibonacci. En ambos dinámica no-trivial pues la cantidad de caminos que conectan el orden cero y Hamiltonianos se desarrolla, en el Espacio Dual de Lagrange, el problema de las condiciones iniciales y se reobtienen los resultados ya conocidos. Se investigan, numéricamente, distintas dependencias temporales para varias condiciones iniciales en los dos modelos. El problema de la disipación cuántica se estudia exactamente para el caso de un solo oscilador y para el de dos niveles interactuantes, donde ambos sistemas se encuentran acoplados a un reservorio de tamaño finito y espectro discreto. Se muestra como la disipación es una consecuencia de la dinámica colectiva de los sistemas; se comprueba la existencia de ciclos de recurrencia de Poincare; se discuten las consecuencias de las soluciones obtenidas. Finalmente, se concluye que los resultados e ideas presentadas pueden ser usados como una herramienta en la resolución de otros problemas en Óptica Cuántica.
Estudiamos los efectos de muchos cuerpos en las propiedades de transporte a traves de
sistemas nanoscopicos. Presentamos estudios en diversos modelos de sistemas correlacionados:
algunos de ellos presentan comportamiento caracteristico de liquido de Luttinger
o de liquido de Fermi. Para los sistemas tipo liquido de Luttinger, usamos un formalismo
de transporte tipo Landauer que mantiene las correlaciones en el sistema de forma exacta.
Por otro lado, para los sistemas tipo liquido de Fermi fuera de equilibrio, usamos la formula
mas general de transporte a traves de un sistema interactuante propuesta por Meir y
Wingreen.
En el caso de los sistemas cuyo punto fijo es el liquido de Luttinger, mostramos como
una medicion de transporte puede llevar a la evidencia directa de la separacion de cargaesp
in. Este fenomeno es una propiedad fundamental que define el liquido de Luttinger. La
separacion de carga-espin se manifiesta en la conductancia como funcion del
flujo magnetico
formando minimos (dips) en valores fraccionales no triviales, cambiando la periodicidad
fundamental de conductancia como funcion del
flujo. Mostramos que estos resultados son
validos para cualquier sistema fuertemente interactuante en una dimension. Los sistemas
prototipo usados para este estudio son anillos de Aharonov-Bohm (representados por el
modelo de Hubbard o t-J ) acoplados debilmente a un par de electrodos conductores.
Aumentando la dimensionalidad del problema, en sistemas de dos anillos acoplados, no
esta claro a hacia que tipo de punto fijo
fluye este tipo de sistemas. Sin embargo, usando
el mismo criterio para la separacion de carga-espin que en el caso de cadenas simples,
encontramos una clara evidencia de separacion de carga-espin en un amplio regimen de
los parametros de interaccion inter e intracadenas.
Usando el mismo tipo de geometrias tipo Aharonov-Bohm, mostramos como pueden
ser utilizadas en la caracterizacion de la transicion de fase neutral-ionica que presenta
el modelo de Hubbard ionico. La transicion puede ser observada mirando el primer pico
de la transmitancia controlando el
flujo magnetico aplicado al anillo. En terminos de la
transmitancia, dependiendo de la fase del estado fundamental, encontramos la presencia
o ausencia de depresiones como funcion del
flujo. De esta forma es posible caracterizar la
transicion de manera inequivoca. Es importante resaltar que la disposicion experimental
propuesta puede ser implementada para cualquier transicion de fase cuantica asociada a
un cambio de simetria en el estado fundamental.
Usando el formalismo de transporte tipo Landauer, estudiamos el transporte cuantico
a traves de una sola molecula (en general, moleculas monociclicas aromaticas) que explota
los efectos de interferencia cuantica intrinsecos. Mostramos que los efectos de interferencia
destructiva total relacionados con un algun grupo de simetria de la molecula, permiten
controlar las propiedades tipo transistor del sistema como la conmutacion de la corriente.
Los estados de corriente nula o finita son manipulados por medio de perturbaciones elasticas
o decoherentes que rompen la simetria molecular. Estos efectos podran ser observados
en los dispositivos moleculares construidos actualmente.
Adicionalmente, investigamos las propiedades de transporte a traves de una impureza
de Anderson simetrica, cuya fisica es la del liquido de Fermi. Para este modelo usamos
teoria de perturbaciones renormalizadas fuera de equilibrio para estudiar las propiedades
de transporte a traves de puntos cuanticos a temperatura y voltaje finitos. Calculamos los
parametros de escaleo asociados a la funcion universal que satisfacen las mediciones de
transporte realizadas recientemente a traves de un punto cuantico tipo Kondo de un solo
canal. Usando un exponente de escaleo cuadratico tanto para la temperatura como para
el voltaje (como se espera para la impureza de Anderson de espin S = 1/2), encontramos
un gran acuerdo para los coeficientes comparados con los resultados experimentales.
Finalmente, desarrollamos un eficiente codigo en paralelo de DMRG dedicado al calculo
de las funciones de correlacion multi-punto. La estrategia presentada se implemento en el
lenguaje de memoria distribuida, MPI. Este algoritmo posee una mejor aceleracion comparado
con el caso de memoria compartida. La aceleracion maxima encontrada para el
algoritmo respecto al caso serial, se encontro en el rango 11 - 18 dependiendo del tamano
del problema y de acuerdo a la ley de Amdahl. Se exploraron las causas de desaceleracion
paralela y con base en esta discusion proponemos formas de aumentar la aceleracion del
algoritmo paralelo. Aplicamos las estrategias de paralelizacion en el calculo de las correlaciones
de carga de la Fase Mott del modelo de Hubbard ionico encontrando un gran
acuerdo con la ley de potencias predicha con bosonizacion.
Caracterizar y manipular los estados cuánticos es una tarea esencial parael avance de la tecnología relacionada con el desarrollo de la electrónica depequeña escala y la computación cuántica. La generación y manipulación deestados, son la base para realizar cualquier procesamiento cuántico de la información. El objetivo general de esta tesis es el de investigar sistemas eléctricamentecontrolables, de interés para aplicaciones de espintrónica y computación cuántica. Con este fin, presentamos un estudio sobre las propiedadesdel transporte en una serie de sistemas mesoscópicos. Para ello, utilizamosel formalismo de funciones de Green fuera del equilibrio (también conocidocomo de Kadanoff-Baym-Schwinger-Keldysh). En una primera parte, estudiamosun anillo de Aharonov-Bohm unidimensional, como mediador de entrelazamientode dos partículas entre reservorios de electrones libres. Allí vemoscomo las correlaciones de corriente entre los distintos reservorios sirven, en determinadascircunstancias, para estimar el grado de entrelazamiento orbital. En la segunda parte de esta tesis, presentamos un modelo de un aisladortopológico bidimensional donde los estados de borde son helicoidales y estánprotegidos por la simetría de reversión temporal. Estudiamos el comportamientode la corriente en presencia de contactos puntuales que favorezcanel paso de partículas entre distintos canales y vemos como el ruido de frecuenciacero permite estimar la presencia o ausencia de procesos de saltoentre canales con distinto espín. Mostramos que, a partir de dos contactospuntuales, es posible construir un interferómetro con estados de borde. Porúltimo, analizamos la posibilidad de generar procesos efectivos de salto entrelos distintos estados de borde a partir del acoplamiento con un 'anti-punto'cuántico.
La emisión estimulada se caracteriza por ser el único fenómeno que permite clonar el estado cuántico de un fotón, es decir, el fotón emitido tiene la misma energía, polarización y está en fase con el fotón incidente. Este hecho diferencia la emisión estimulada de la espontánea, en la cual el fotón emitido tiene una energía, polarización y fase aleatoria. Además, la emisión estimulada es el proceso fundamental para conseguir radiación coherente en un sistema LASER cuya coherencia está limitada solo por la emisión espontánea, debido a que el fotón emitido por emisión estimulada no es idéntico con el fotón emitido por emisión espontánea. No obstante, los modelos actuales para describir el estado de un fotón presentan la falencia de no poder distinguir entre dos fotones que tengan la misma energía y polarización, y más aún, ningún modelo asocia alguna fase a estos estados. En este trabajo se propone una nueva descripción del fotón como un paquete de ondas de estados coherentes, el cual se denomina aquí como un Fotón de Fase, y se demuestra que este estado constituye una representación válida del fotón, con la cual, se logra encontrar una función de onda que es solución a la ecuación de onda cuántica relativista del fotón, y que además tiene una fase global asociada, permitiendo así distinguir entre dos fotones que tengan la misma energía y polarización por medio de la fase asociada a cada fotón. Finalmente, haciendo uso de los operadores bosónicos de creación y aniquilación para estos fotones de fase, se modifica el Hamiltoniano de interacción de Jaynes-Cummings y se logra mostrar que esta descripción permite entenderla emisión estimulada como una clonación del estado del fotón, donde, además, los fotones comparten la misma fase y su estado es diferente a un fotón emitido por emisión espontánea.