Dynamical properties of quantum gases following a sudden change of confining potential

Abstract

The response of a quantum system to a sudden change of its parameters entering in the hamiltonian, such as the confining potential or two-body particle-particle interactions, is an interesting issue in physics. This issue is experimentally realized in the field of ultra-cold quantum gases, where the advances in such field allow a full control of the parameters of the confined gas. The subsequent time evolution of the system following a sudden change of a specific parameter, called quench, is interesting and allows the study of dynamical non-equilibrium properties of the system. In this thesis we considered the case of quench of trapping potential for different one-dimensional systems. The dynamical quantities we were interested are the one-body density matrix and the resulting mass current density distribution. Using the time evolution propagator, we derived the time dependent one-body density matrix and the current density of an initially harmonically trapped noninteracting system following a quench of the potential. For a one-dimensional system of bosons with large atom number interacting through a repulsive delta potential initially confined by a potential well, we derived the so-called long-time asymptotic one-body density matrix during free expansion. The third system we examined is a quantum impenetrable gas of bosons (a Tonks–Girardeau gas) with a given atom number. We derived an explicit exact analytical expression for the mass current distribution (mass transport) after quench from one harmonic trap to another harmonic trap. We showed that, the current distribution is a suitable collective observable and under the weak quench regime, it exhibits oscillations at the same frequencies as those predicted for the peak momentum distribution in the breathing mode. The analysis is extended to other possible quenched systems.

Description

La réponse d’un système quantique à un soudain changement des paramètres de son hamiltonian, tel que le potentiel confinant ou les interactions à 2 corps atome-atome, constitue un sujet intéressant en physique. Ceci est réalisable expérimentalement dans le domaine des gaz quantiques ultra-froids, où les avancées technologiques permettent un contrôle total des paramètres du gaz ainsi confiné. L’évolution temporelle résultante du soudain changement d’un paramètre spécifique, appelé quench, est intéressant pour l’étude des propriétés dynamiques de non-équilibre. Dans cette thèse on a considéré le cas de quench du potentiel confinant pour différent systèmes unidimensionnels. Les grandeurs dynamiques auxquelles on s’est intéressé sont, la matrice densité à un corps et le courant de densité résultant. En utilisant le propagateur d’évolution, nous avons dérivé les expressions de la matrice densité et du courant de densité en fonction du temps, pour un système de particules indépendantes initialement confiné par un potentiel d’oscillateur harmonique, suite à un quench du potentiel. Pour un système de bosons à une dimension avec un nombre d’atomes grand et interagissant avec une interaction de type-delta répulsive et initialement confine par un potentiel, nous avons obtenu l’expression de la matrice densité asymptotique après des temps longs durant l’expansion libre. The troisième système que nous avons examine est celui d’un de bosons dit de sphères dures ( Tonks–Girardeau gas) avec un nombre fixé d’atomes. Nous avons dérivé une expression analytique exacte de la densité de courant distribution de masse suite à un quench d’un potentiel harmonique vers un autre potentiel harmonique. Nous avons montré que le courant de distribution est une grandeur collective convenable et dans le cas d’un quench faible, ce courant présente des oscillations aux mêmes fréquences que celles prédites pour le pic de la densité des moments dans le breathing mode (mode respiratoire). Notre analyse à été étendue à d’autres systèmes subissant le quench

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