7 research outputs found
Theory for the optimal control of time-averaged quantities in open quantum systems
We present variational theory for optimal control over a finite time interval
in quantum systems with relaxation. The corresponding Euler-Lagrange equations
determining the optimal control field are derived. In our theory the optimal
control field fulfills a high order differential equation, which we solve
analytically for some limiting cases. We determine quantitatively how
relaxation effects limit the control of the system. The theory is applied to
open two level quantum systems. An approximate analytical solution for the
level occupations in terms of the applied fields is presented. Different other
applications are discussed
Assessing Cognitive Skills in Early Childhood Education Using a Bilingual Early Language Learner Assessment Tool
In this article, we propose that basic cognitive skills may be fostered and assessed in early childhood educational (pre-K) settings using a technology-based approach to assessment. BELLA (Bilingual English Language Learner Assessment), designed for use with both monolingual (English or Spanish speaking) and bilingual (English and Spanish speaking) children, is designed to attend to cognitive skill development in addition to (pre-)academic knowledge. Specifically, BELLA assesses analytical, creative, and practical thinking in 3–5-year-old children through unique item content and delivery. BELLA is among the first tablet-based pre-K assessments designed to assess cognitive skills needed for the era of the Anthropocene
Analytical solution of the optimal laser control problem in two-level systems
The optimal control of two-level systems by time-dependent laser fields is
studied using a variational theory. We obtain, for the first time, general
analytical expressions for the optimal pulse shapes leading to global
maximization or minimization of different physical quantities. We present
solutions which reproduce and improve previous numerical results.Comment: 12 pages, 2 figure
Theorie fĂĽr ultraschnelle Dynamik und optimale Kontrolle von Elektronen in Nanostrukturen
Titel 1
Contents 9
1 Introduction 11
2 Theory 19
2.1. Optimal control of quantum systems over finite time interval 19
2.2. Calculation of the excitation spectrum of quantum systems using genetic
algorithms 30
2.3. Photon assisted tunneling between quantum dots: optimal control approach
41
2.4. Explposion of noble gas clusters in strong laser fields 46
3 Results 55
3.1. Optimal control of a time averaged occupation of the excited level in a
two-level system 56
3.2. Application of the QGA to the eigenstate problem for interacting
electrons in quantum dots 63
3.3. Optimal field for control of the photon assisted tunnelling between
quantum dots 75
3.4. Explosion of Xe clusters 83
4 Conclusions and Outlook 91
Appendix A: The adiabatic approximation 97
Appendix B: Derivation of an approximate solution for a two level system 99
Appendix C: Generalization of the QGA for higher dimensions 101
Appendix D: Integration of the pendulum equation 103
Bibliography 105
Publications 117
Acknowledgments 121
Curriculum Vitae 123This work is concerned with the investigation of both equilibrium and
nonequilibrium properties of electrons in nanostructures. We are especially
interested in the ultrafast dynamics of such systems induced by coherent
light. One can divide this work into four parts: In the first part we develop
an analytical theory for optimal control over a finite time interval in
quantum systems with relaxation. This theory is more general then previous
formulations and contains the usual control theory of objectives at a given
time as a limiting case. By using a variational approach corresponding
Euler-Lagrange equations were derived, from which the optimal control fields
are obtained analytically for some limiting cases. This approach guarantees
the uniqueness of the obtained solution. Using the adiabatic approximation for
the envelope of the control field, an analytical solution for the Liouville
equation is derived. The theory is applied to two-level quantum systems. In
the second part of our studies a new theoretical method based on evolutionary
(genetic) algorithms is developed. This permits to determine efficiently the
ground and exited states of few electrons confined in a quantum dot. The
approach relies on the variational principle. We use a variational formulation
to determine the ground state energy and the partition function. To perform
the search for the fittest wave function, the genetic algorithm (GA) is
extended to treat quantum mechanical problems. We found that this approach
yields very good convergence in all considered cases. The third part is
devoted to the optimal control of carrier dynamics in nanostructures. The
electron tunneling induced by an ultrashort electric field pulse between two
metallic reservoirs coupled through a double quantum dot is analyzed
theoretically. The equations of motion for the reduced density matrix are
solved to determine the transferred charge, which is a functional of the
external field. Then, using genetic algorithms, the optimal shape of the
electric field which maximizes the transferred charge is determined. The cases
of zero and infinite interdot Coulomb repulsion are analyzed. Finally, in the
fourth part of the work the explosion of clusters induced by intense
laser pulses is investigated. Using a microscopic theoretical approach we
analyze the ultrafast ionization and explosion of clusters. It is shown, that
the remarkable correlation between the kinetic energy and the charge of the
produced ions, as observed in different experiments, can be described as
arising from strongly inhomogeneous charge densities in the clusters, which
are induced by the strong quantum dynamics of the electrons after laser
excitation.Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Gleichgewichts- und
Nichtgleichgewichtseigenschaften von Elektronen in Nanostrukturen.
Insbesondere interessieren wir uns für die durch kohärentes Licht veranlasste
ultraschnelle Dynamik. Die hier präsentierten Studien lassen sich in vier
Teile einteilen: Im ersten Teil entwickeln wir eine analytische Theorie fĂĽr
optimale Kontrolle ĂĽber ein begrenztes Zeitintervall in Quanten-Systemen mit
Relaxation. Diese Theorie ist allgemeiner als frĂĽhere Formulierungen und
enthält die übliche Theorie die optimale Kontrolle zu einer gegebenen Zeit
als einen Spezialfall. Durch Verwenden eines Variationsprinzips werden
Euler-Lagrange-Differenzialgleichungen hergeleitet, aus denen die optimalen
Kontrollfelder analytisch für einige Grenzfälle erhalten werden. Diese Methode
garantiert die Eindeutigkeit der erlangten Lösung. Mit der adiabatischen
Näherung für die Einhüllende des Kontrollfeldes wird eine analytische Lösung
fĂĽr die Liouville-Differenzialgleichung hergeleitet. Die Theorie wird auf
Zwei-Niveau-Quanten-Systeme angewandt. Im zweiten Teil unserer Studien wird
eine neue theoretische Methode entwickelt, die auf genetischen Algorithmen
beruht. Sie erlaubt eine effiziente Bestimmung des Grundzustands und der
angeregten Zustände von einigen wenigen Elektronen in einem Quantenpunkt. Die
Methode basiert auf dem Variationsprinzip. Wir benutzen eine
Variationsformulierung fĂĽr die Grundzustands-Energie und fĂĽr die
Zustandssumme. Um die Suche nach der passenden Wellenfunktion durchzufĂĽhren,
wird der genetische Algorithmus (GA) erweitert, um quantenmechanische Probleme
zu behandeln. Wir finden, dass diese Methode sehr gute Konvergenz in allen
untersuchten Fällen ergibt. Der dritte Teil ist der optimalen Kontrolle der
Elektronen-Dynamik in Nanostrukturen gewidmet. Das durch einen ultrakurzen
elektrischen Feldpuls zwischen zwei metallischen Kontakten, die durch einen
doppelten Quantenpunkt gekoppelt sind, veranlasste Tunneln der Elektronen wird
theoretisch analysiert. Die Bewegungsgleichungen fĂĽr die reduzierte Dichte-
Matrix zur Bestimmung der übergebenen Ladung, die ein Funktional des äußeren
Feldes ist, werden gelöst. Unter Benutzung von genetischen Algorithmen wird
dann der optimale Zeitverlauf des elektrischen Feldes, das die ĂĽbergebene
Ladung maximiert, bestimmt. Die Fälle von verschwindender und unendlicher
Coulomb-AbstoĂźung zwischen Elektronen in Quantenpunkten werden analysiert.
SchlieĂźlich wird im vierten Teil der Arbeit die Explosion von -Clustern
aufgrund von intensiven Laserpulsen untersucht. Mit einer mikroskopische
Theorie analysieren wir die durch intensive Femtosekunden-Laserpulse
induzierte ultraschnelle Ionisierung und Explosion von Clustern. Es wird
gezeigt, dass die bemerkenswerte Korrelation zwischen kinetischer Energie und
Ladung der erzeugten Ionen, wie in verschiedenen Experimenten beobachtet,
ausgehend von stark inhomogen Ladungsdichten in den Clustern beschrieben
werden kann, die durch die starke Quantendynamik der Elektronen nach
Lasererregung verursacht werden