Strongly-correlated one-dimensional bosons in continuous and quasiperiodic potentials

par Hepeng Yao

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Laurent Sanchez-Palencia.

Soutenue le 20-10-2020

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec Centre de physique théorique (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) et de École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Thierry Giamarchi.

Le jury était composé de Laurent Sanchez-Palencia, Guillaume Roux, Ulrich Schneider, Hanns-Christoph Nägerl, Anna Minguzzi.

Les rapporteurs étaient Guillaume Roux, Ulrich Schneider.

  • Titre traduit

    Bosons fortement corrélés unidimensionnels dans des potentiels continus et quasi-périodiques


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous étudions les propriétés des bosons unidimensionnels dans divers types de systèmes, en nous concentrant sur les transitions de phase ou les croisements entre différents régimes de dégénérescence quantique. En combinant la méthode de Monte Carlo quantique avec d'autres techniques standard telles que la diagonalisation exacte et l’ansatz de Bethe thermique, nous pouvons calculer le comportement des bosons à une dimension dans différents cas où les résultats font encore défaut. Tout d'abord, dans le cas de bosons continus piégés de manière harmonique, nous fournissons une caractérisation complète d'une quantité appelée contact de Tan. En calculant la fonction d'échelle universelle de cette quantité, nous identifions le comportement du contact dans différents régimes de dégénérescence pour les bosons 1D. Nous montrons que le contact présente un maximum en fonction de la température et qu’il s’agit d’une signature de la fermionisation du gaz dans le régime de forte interaction. Ensuite, nous étudions la localisation et les propriétés fractales des gaz idéaux 1D dans des potentiels quasi-périodiques peu profonds. Le système quasi-périodique constitue un intermédiaire intéressant entre les systèmes ordonnés à longue distance et les véritables systèmes désordonnés aux propriétés critiques inhabituelles. Alors que le modèle d'Aubry-André (AA) à liaison étroite a été largement étudié, le cas du réseau peu profond se comporte différemment. Nous déterminons les propriétés critiques de localisation du système, le potentiel critique, les bords de mobilité et les exposants critiques qui sont universels. De plus, nous calculons la dimension fractale du spectre d'énergie et nous constatons qu'elle est non universelle mais toujours inférieure à l'unité, ce qui montre que le spectre n'est dense nulle part. Enfin, nous passons à l'étude avec les interactions. Avec les calculs quantiques de Monte Carlo, nous calculons le diagramme de phase des bosons de Lieb-Liniger en potentiels quasi-périodiques peu profonds. On trouve un verre de Bose, entouré de phases superfluides et de Mott. À température finie, nous montrons que la fusion des lobes de Mott est caractéristique d'une structure fractale et constatons que le verre de Bose est robuste contre les fluctuations thermiques jusqu'à des températures accessibles dans les expériences.


  • Résumé

    In this thesis, we investigate the properties of one-dimensional bosons in various types of systems, focusing on the phase transitions or crossovers between different quantum degeneracy regimes. Combining quantum Monte Carlo with other standard techniques such as exact diagonalization and thermal Bethe ansatz, we can compute the behavior of 1D bosons in different cases where the results are still lacking. First, in the case of harmonically trapped continuous bosons, we provide a full characterization of a quantity called Tan's contact. By computing the universal scaling function of it, we identify the behavior of the contact in various regimes of degeneracy for 1D bosons. We show that the contact exhibits a maximum versus temperature and that it is a signature of the crossover to fermionization in the strongly-interacting regime. Secondly, we study the localization and fractal properties of 1D ideal gases in shallow quasiperiodic potentials. The quasiperiodic system provides an appealing intermediate between long-range ordered and genuine disordered systems with unusual critical properties. While the tight-binding Aubry-Andr'e (AA) model has been widely studied, the shallow lattice case behaves differently. We determine the critical localization properties of the system, the critical potential, mobility edges and critical exponents which are universal. Moreover, we calculate the fractal dimension of the energy spectrum and find it is non-universal but always smaller than unity, which shows the spectrum is nowhere dense. Finally, we move to the study of the interacting case. With the quantum Monte Carlo calculations, we compute the phase diagram of Lieb-Liniger bosons in shallow quasiperiodic potentials. A Bose glass, surrounded by superfluid and Mott phases, is found. At finite temperature, we show that the melting of the Mott lobes is characteristic of a fractal structure and find that the Bose glass is robust against thermal fluctuations up to temperatures accessible in experiments.


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