Quantum systems out of equilibrium: quantum dots at finite bias and quenches in strongly correlated systems

• Applicant: Dr. Dirk Schuricht
• Subject Area: Theoretical Condensed Matter Physics
• Term: from 2010 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 179853007

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurden Quantensysteme im Nichtgleichgewicht untersucht, insbesondere Quantenpunkte bei endlichen Transportspannungen sowie die Zeitentwicklung niedrigdimensionaler Systeme. Wegen der räumlichen Beschränkungen sind in diesen Systemen Wechselwirkungseffekte zwischen den Teilchen dominant, die Teilchen können sich sozusagen nicht aus dem Weg gehen. Dies führt zur Bildung von Vielteilchenzuständen, in denen die Bewegung der Teilchen stark miteinander korreliert ist und nichttriviale Vielteilcheneffekte auftreten. Die Beschreibung solcher Systeme im Gleichgewicht wurde in den letzten Jahrzehnten entwickelt und kann als etabliert betrachtet werden. Werden die Systeme jedoch aus dem Gleichgewicht gebracht, zum Beispiel durch das Anlegen einer endlichen Spannung, bildet sich ein stationärer, korrelierter Zustand der nicht mit diesen Methoden beschrieben werden kann. Die Entwicklung geeigneter theoretischer Methoden zur Beschreibung solcher Situation und deren anschließende Anwendung auf konkrete physikalische Fragestellungen bildeten den Kern dieses Projektes. Als erstes Beispiel für die oben beschriebene Situation erwähne ich den Wärmetransport durch einen stark korrelierten Quantenpunkt aufgrund der angelegten Spannung und eines Temperaturgradienten. Hierfür zeigten wir, dass der Wärmestrom sehr sensitiv auf Ladungsfluktuationen, d.h. die zeitlichen Änderung der Anzahl der Elektronen auf dem Quantenpunkt, ist. Wir leiteten eine komplette Klassifikation der auftretenden Transportprozesse her und zeigten, dass sich aus diesen qualitative Informationen über die Relaxationsprozesse auf dem Quantenpunkt herleiten lassen. Überraschenderweise tritt auch negative Wärmeleitfähigkeit auf, d.h. der Wärmestrom durch den Quantenpunkt nimmt bei zunehmender Spannung ab. Diese Effekte treten deutlich stärker auf als im üblicherweise betrachtenten Ladungstransport, was eine weitere Anstrengung von experimenteller Seite zur Üntersuchung der Wärmeleitungseigenschaften von Quantenpunkten und anderen Nanostrukturen motiviert. Eine zweite Mäglichkeit, Quantensysteme aus dem Gleichgewicht zu treiben, besteht in der Präparation in einem nichttrivialen Anfangszustand und der Betrachtung der anschließenden Zeitentwicklung. Eine technologisch besonders bedeutende Realisierung dieser Situation stellen sogenannte Quantenbits dar: Ein Quantensystem, z.B. der Spin eines Elektrons in einem Quantenpunkt, wird zur Speicherung von Information präpariert. Da der Spin aber mit anderen Freiheitsgraden wechselwirkt, im Beispiel des Quantenpunktes insbesondere mit den nuklearen Spins im Substrat, beginnt er sich zeitlich zu entwickeln. Technologisch relevant ist nun, auf welchen Zeitskalen die ursprünglich gespeicherte Information noch vorhanden ist. Zur Beantwortung dieser Frage entwickelten wir eine neue Methode (basierend auf Bethe Ansatz und Monte Carlo sampling) zur Berechnung der Zeitentwicklung des Elektronenspins. Zu unserer großen Überraschung ergab sich, dass bei verschwindendem Magnetfeld und endlicher Zahl der nuklearen Spins die Information beliebig lang erhalten bleibt. Physikalisch konnten wir dies auf die Bildung eines Bose-Einstein-Kondensatz von Spinanregungen zurückführen, welches sich durch die Verwendung des Bethe Ansatzes elegant beschreiben lies.

Publications

• Dynamics in the Ising field theory after a quantum quench, J. Stat. Mech. (2012) P04017
  D Schuricht and F H L Essler
  
• Luttinger liquid universality in the time evolution after an interaction quench, Phys. Rev. Lett. 109, 126406 (2012)
  C Karrasch, J Rentrop, D Schuricht and V Meden
  
• Strongly interacting Majorana modes in an array of Josephson junctions, New J. Phys. 14, 125018 (2012)
  F Hassler and D Schuricht
  
• Dynamical phase transitions after quenches in nonintegrable models, Phys. Rev. B 87, 195104 (2013)
  C Karrasch and D Schuricht
  
• Integrability-based analysis of the hyperfine interaction induced decoherence in quantum dots, Phys. Rev. Lett. 110, 040405 (2013)
  A Faribault and D Schuricht
  
• Quantum quench in the sine-Gordon model, J. Stat. Mech. (2014) P10035
  B Bertini, D Schuricht and F H L Essler
  
• Transport properties of fully screened o Kondo models, Phys. Rev. B 89, 165411 (2014)
  C B M Hörig, C Mora and D Schuricht
  
• Charge fluctuations in nonlinear heat transport; Phys. Rev. B 91, 201107(R) (2015)
  N M Gergs, C B M Hörig, M R Wegewijs and D Schuricht