Dissipative phases in open quantum systems

Abstract

Phase transitions are widespread phenomena occurring during the early stages of the Universe as well as in our everyday experience. Many systems enjoy similar critical properties governed by symmetries, range of interaction, and dimensionality, disregarding microscopic properties. At the same time, some of them are much easier to recreate in the lab than others. A particular boost in the investigation of phase transitions is associated with the development of quantum simulators, such as light-matter interfaces, trapped ions, Rydberg atoms, etc., which allow to controllably study critical properties at near-zero or finite temperatures. Such simulators allow for tuning of parameters, which can be quite robust in the real-world system, driving transition dynamically as well as giving access to real-time observables. It is also important that these platforms enable not only coherent control of couplings but also can host incoherent, dissipative channels due to the environment in which they are embedded. Over the last years, such dissipations have been shown to be more than just a source of decoherence, but rather a resource for more sophisticated control of dynamics, allowing the generalization of new phases or stabilizing dynamical regimes. In this thesis, we study phase transitions in the experimentally accessible analogous quantum simulators. We start with a spintronics-inspired dissipative model, which hosts various phases generated through the competition of continuous and discrete symmetries and incoherent drive and dissipations. The model possesses a rich dynamical phase diagram, combining stationary and non-stationary regimes. Then, we go deeper into the experimental implementation of the models with different atomic degrees of freedom and see how the interplay of spin and momentum can result in non-stationary phases, manifesting spin-momentum entanglement. We also examine a particular role of dissipation in this case, showing how it helps stabilize dynamical phases and gives a perspective for non-destructive monitoring of the system properties. The thesis covers the implementation of dissipative models in quantum simulators and their relevant dynamical aspects.

Phasenübergänge sind weit verbreitete Phänomene, die sowohl in der Frühphase des Universums als auch in unserer täglichen Erfahrung auftreten. Viele Systeme weisen ähnliche kritische Eigenschaften auf, die von Symmetrien, der Reichweite der Wechselwirkung und der Dimensionalität bestimmt werden, wobei mikroskopische Eigenschaften außer Acht gelassen werden. Gleichzeitig lassen sich einige von ihnen im Labor viel leichter nachbilden als andere. Ein besonderer Aufschwung bei der Erforschung von Phasenübergängen ist mit der Entwicklung von Quantensimulationen verbunden, wie z.B. Licht-Materie-Grenzflächen, gefangene Ionen, Rydberg-Atome usw., die es ermöglichen, kritische Eigenschaften bei Temperaturen nahe Null oder bei endlichen Temperaturen kontrolliert zu untersuchen. Solche Simulationen ermöglichen die Einstellung von Parametern, die im realen System recht robust sein können, indem sie den Übergang dynamisch steuern und Zugang zu den Echtzeit-Beobachtungsdaten bieten. Wichtig ist auch, dass diese Plattformen nicht nur eine kohärente Steuerung von Kopplungen ermöglichen, sondern aufgrund der Umgebung, in die sie eingebettet sind, auch inkohärente, dissipative Kanäle aufnehmen können. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass solche Dissipationen mehr als nur eine Quelle der Dekohärenz sind, sondern vielmehr eine Ressource für eine ausgefeiltere Kontrolle der Dynamik, die die Verallgemeinerung neuer Phasen oder die Stabilisierung dynamischer Regime ermöglicht. In dieser Arbeit untersuchen wir Phasenübergänge in den experimentell zugänglichen analogen Quantensimulatoren. Wir beginnen mit dem von der Spintronik inspirierten dissipativen Modell, das verschiedene Phasen beherbergt, die durch die Konkurrenz von kontinuierlichen und diskreten Symmetrien und inkohärenten Antrieben und Dissipationen entstehen. Das Modell verfügt über ein reichhaltiges dynamisches Phasendiagramm, das stationäre und nicht-stationäre Zustände kombiniert. Anschließend gehen wir näher auf die experimentelle Umsetzung der Modelle mit verschiedenen atomaren Freiheitsgraden ein und sehen, wie das Zusammenspiel von Spin und Impuls zu nicht-stationären Phasen führen kann, in denen sich die Spin-Moment-Verschränkung manifestiert. Wir untersuchen auch die besondere Rolle der Dissipation in diesem Fall und zeigen, wie sie zur Stabilisierung der dynamischen Phasen beiträgt und eine Perspektive für eine zerstörungsfreie Überwachung der Systemeigenschaften bietet. Die Arbeit befasst sich mit der Implementierung dissipativer Modelle in Quantensimulatoren und ihren relevanten dynamischen Aspekten.