Equations of motion for the out-of-equilibrium dynamics of isolated quantum systems from the projection operator technique

We present a rigorous framework to obtain evolution equations for the momentum distribution and higher order correlation functions in weakly interacting systems based on the Projection Operator Technique. These equations can be numerically solved in an efficient way. We compare the solution of the equations with known results for 1D models and find an excellent agreement.Instituto de Física La Plat

Dinámica fuera de equilibrio de sistemas cuánticos aislados

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.Facultad de Ciencias Exacta

Quantum quench dynamics of the Coulomb Luttinger model

We study the nonequilibrium dynamics of the Luttinger model after suddenly turning on and off the bare Coulomb interaction between the fermions. We analyze several correlation functions such as the one particle density matrix and vertex correlations, its finite time dynamics, and the stationary state limit. Correlations exhibit a nonlinear light-cone effect: The spreading of the initial signal accelerates as a consequence of the quantum nature of the excitations, whose peculiar dispersion of plasmonic type in one dimension (1D) gives rise to a logarithmic divergence in the group velocity at q = 0. In addition, we show that both the static and dynamic stationary state correlations can be reproduced with a simple generalized Gibbs ensemble despite the long-range character of the interactions which precludes the application of the Lieb-Robinson bounds. We propose a suitable experimental setup in which these effect can be observed based on ultracold ions loaded on linear traps.Instituto de Física La Plat

Dinámica fuera de equilibrio de sistemas cuánticos aislados

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.Facultad de Ciencias Exacta

Equations of motion for the out-of-equilibrium dynamics of isolated quantum systems from the projection operator technique

We present a rigorous framework to obtain evolution equations for the momentum distribution and higher order correlation functions in weakly interacting systems based on the Projection Operator Technique. These equations can be numerically solved in an efficient way. We compare the solution of the equations with known results for 1D models and find an excellent agreement.Instituto de Física La Plat

Quenched dynamics of classical isolated systems: The spherical spin model with two-body random interactions or the Neumann integrable model

We study the Hamiltonian dynamics of the spherical spin model with fully-connected two-body random interactions. In the statistical physics framework, the potential energy is of the so-called p = 2 kind, closely linked to the scalar field theory. Most importantly for our setting, the energy conserving dynamics are equivalent to the ones of the Neumann integrable model. We take initial conditions from the Boltzmann equilibrium measure at a temperature that can be above or below the static phase transition, typical of a disordered (paramagnetic) or of an ordered (disguised ferromagnetic) equilibrium phase. We subsequently evolve the configurations with Newton dynamics dictated by a different Hamiltonian, obtained from an instantaneous global rescaling of the elements in the interaction random matrix. In the limit of infinitely many degrees of freedom, , we identify three dynamical phases depending on the parameters that characterise the initial state and the final Hamiltonian. We next set the analysis of the system with finite number of degrees of freedom in terms of N non-linearly coupled modes. We argue that in the limit the modes decouple at long times. We evaluate the mode temperatures and we relate them to the frequency-dependent effective temperature measured with the fluctuation-dissipation relation in the frequency domain, similarly to what was recently proposed for quantum integrable cases. Finally, we analyse the N - 1 integrals of motion, notably, their scaling with N, and we use them to show that the system is out of equilibrium in all phases, even for parameters that show an apparent Gibbs-Boltzmann behaviour of the global observables. We elaborate on the role played by these constants of motion after the quench and we briefly discuss the possible description of the asymptotic dynamics in terms of a generalised Gibbs ensemble.Fil: Cugliandolo, Leticia Fernanda. Université Pierre et Marie Curie; Francia. Université Pierre et Marie Curie. Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Energies; FranciaFil: Lozano, Gustavo Sergio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Nessi, Emilio Nicolás. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Picco, Marcos Fernando. Université Pierre et Marie Curie. Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Energies; FranciaFil: Tartaglia, Alessandro. Université Pierre et Marie Curie. Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Energies; Franci

Non equilibrium dynamics of isolated disordered systems: the classical Hamiltonian p-spin model

We study the dynamics of a classical disordered macroscopic model completely isolated frorn the environment reproducing, in a classical setting, the ‘quantum quench’ protocol. We show that, depending on the pre and post quench parameters, the systern approaches equilibrium, succeeding to act as a bath on itself, or remains out of equilibrium, in two different ways. In the latter one, the systern stays confined in a metastable state in which it undergoes stationary dynamics characterised by a single temperature. In the other, the systern ages and its dynamics are characterised by two temperaturas associated with observations rnade at short and long time differences (high and low frequencies). The parameter dependence of the asymptotic states is rationalised in terrns of a dynamic phase diagram with one equilibrium and two out of equilibrium phases. Aspects of pre-thermalisation are observed and discussed. Similarities and differences with the dynamics of the dissipative model are also explained.Facultad de Ciencias Exacta

Role of initial conditions in the dynamics of quantum glassy systems

We set the formalism to study the way in which the choice of canonical equilibrium initial conditions affect the real-time dynamics of quantum disordered models. We use a path integral formulation on a time contour with real and imaginary time branches. The factorisation of the time-integration paths usually assumed in field-theoretical studies breaks down due to the averaging over quenched randomness. We derive the set of Schwinger-Dyson dynamical equations that govern the evolution of linear response and correlation functions. The solution of these equations is not straightforward as it needs, as an input, the full imaginary-time (or Matsubara frequency) dependence of the correlation in equilibrium. We check some limiting cases (equilibrium dynamics, classical limit) and we set the stage for the analytic and numerical analysis of quenches in random quantum systems.Fil: Cugliandolo, Leticia F.. Sorbonne University; Francia. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Lozano, Gustavo Sergio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Nessi, Emilio Nicolás. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Prethermalization and glassiness in the bosonic Hubbard model

We investigate the nonequilibrium dynamics of the bosonic Hubbard model starting from inhomogeneous superfluid or Mott insulator initial states using the truncated Wigner approximation (TWA). We find that the relaxation of the system develops in two steps for sufficiently large interaction strengths: after a fast relaxation the system gets caught in metastable prethermalized states that precede the true equilibrium state. We find that the lifetime of these prethermalized states increases by several orders of magnitude as we increase the on-site interaction strength beyond a threshold value. We show that the emergence of long-lived metastable states in the quantum dynamics is associated with an ergodic (active) to nonergodic (inactive) dynamical phase transition in the ensemble of classical trajectories that contribute to the semiclassical limit. This dynamical phase transition, which is very similar to that found in different classical models of glasses, is closely related to the dynamic heterogeneity of the classical relaxation.Instituto de Física La Plat

Generalised Gibbs Ensemble for spherically constrained harmonic models

We build and analytically calculate the Generalised Gibbs Ensemble partition function of the integrable Soft Neumann Model. This is the model of a classical particle which is constrained to move, on average over the initial conditions, on an N dimensional sphere, and feels the effect of anisotropic harmonic potentials. We derive all relevant averaged static observables in the (thermodynamic) N→∞ limit. We compare them to their long-term dynamic averages finding excellent agreement in all phases of a non-trivial phase diagram determined by the characteristics of the initial conditions and the amount of energy injected or extracted in an instantaneous quench. We discuss the implications of our results for the proper Neumann model in which the spherical constraint is imposed strictly.Fil: Barbier, Damien. École Polytechnique Fédérale de Lausanne; Suiza. Sorbonne University; FranciaFil: Cugliandolo, Leticia F.. Sorbonne University; Francia. Universite de la Mediterranee. Institut Universitaire de France; FranciaFil: Lozano, Gustavo Sergio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Nessi, Emilio Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física La Plata; Argentin