Nonequilibrium dynamics of quantum many-body systems: from lattice to quantum field theories

Kukuljan, Ivan (author), Prosen, Tomaž (mentor), Takács, Gábor (comentor)

This doctoral thesis is in the field of nonequilibrium quantum physics. Using nonperturbative methods for the computation of the dynamics of many body quantum systems, both systems on lattices and quantum field theories, we address several open questions. We study the applicability in lattice systems with local interaction of the Out-of-time-ordered correlation functions, a recently proposed measure of many-body quantum chaos. We propose a more suitable measure of chaos for these systems and prove a bound on its growth. We study its dynamics in the kicked quantum Ising model. Based on Truncated conformal space approach, we develop a methodology for the computation of time-dependent multi-point correlation functions in interacting (1+1)D quantum field theories. We use it to study correlations and the nonGaussianity of the quantum sine-Gordon model and thus provide theory for experiments with ultra-cold atoms in the atom chip. We discover a new effect in quantum field theory of correlations propagating outside the causal horizon. We prove the effect analytically using the bosonisation and interpret it as a field theoretical version of the Einstein-Podolsky-Rosen entanglement due to topological excitations. We study boundary driven quantum field theory and demonstrate that the sine-Gordon model admits ballistic transport of the topological charge.

• Language: English
• Keywords: Nonequilibrium many-body quantum physics, quantum chaos, Out-of-time-ordered correlations, kicked quantum Ising model, quantum sine-Gordon model, ultra-cold atoms in the atom chip, correlation functions, TCSA, bosonisation, horizon, transport
• Work type: Doctoral dissertation
• Typology: 2.08 - Doctoral Dissertation
• Organization: FMF - Faculty of Mathematics and Physics
• Year: 2019
• PID: 20.500.12556/RUL-111849
• COBISS.SI-ID: 3384164
• Publication date in RUL: 16.10.2019

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Neravnovesna dinamika kvantnih mnogodelčnih sistemov: od teorij na mreži do kvantnih teorij polja

Abstract

Ta doktorska disertacija spada na področje neravnovesne kvantne fizike. S pomočjo neperturbativnih metod za izračun dinamike mnogodelčnih kvantnih sistemov, tako teorij na mreži kot kvantnih teorij polja, naslavljamo nekaj odprtih vprašanj. Analiziramo uporabnost Časovno neurejenih korelacijskih funkcij, pred kratkim prodlagane mere za mnogodelčni kvantni kaos, za sisteme na mreži z lokalno interakcijo. Predlagamo bolj primerno mero za kaos v teh sistemih in dokažemo zgornjo mejo za hitrost njenega naraščanja. Njeno dinamiko preučujemo na primeru neravnovesnega kvantnega isingovega modela. Na osnovi Metode pristriženega konformnega Hilbertovega prostora razvijemo metodologijo za izračun časovno odvisnih večtočkovnih korelacijskih funkcij v sklopljenih (1+1)D kvantnih teorijah polja. Uporabimo jih za študijo korelacij in neGavssovskosti v kvantnem sine-Gordonovem modelu in s tem tudi prispevamo teorijo za razlago eksperimentov z ultrahladnimi atomi v atomskem čipu. Odkrijemo nov efekt v kvantni teoriji polja, pri katerem se korelacijske funkcije širijo izven kavzalnega stožca. Efekt dokažemo analitično s pomočjo bozonizacije in ga interpretiramo kot Einstein-Podolski-Rosenovo prepletenost topoloških vzbuditev v teorijah polja. Konstruiramo tudi robno gnane kvantne teorije polja in pokažemo, da ima sine-Gordonov model balističen transport topološkega naboja.

• Keywords: Neravnovesna mnogodelčna kvantna fizika, kvantni kaos, Časovno neurejene korelacijske funkcije, neravnovesni kvantni Isingov model, kvantni sine-Gordonov model, ultrahladni atomi v atomskem čipu, korelacije, TCSA, bozonizacija, horizont, transport