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A Lattice Pairing-Field Approach to Ultracold Fermi-Gases

Ehmann, Florian (2023)
A Lattice Pairing-Field Approach to Ultracold Fermi-Gases.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024103
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Two-component Fermi gases model the behavior of many systems in different fields of physics, and one of their interesting features is that they condense into superfluids at low temperatures. Ultracold atoms experiments represent one realization of such Fermi gases, and their great flexibility sparked active research into their phase structure. In the literature, there are studies of the phase structure using functional methods, mean-field approximations, and other approaches. In the present work, we aim to perform ab-initio Monte-Carlo simulations of the system to probe their phase structure for inhomogeneous phases in the presence of spin imbalance. Such simulations generally require a bosonization of the theoretical description of the system that rewrites the theory in terms of an auxiliary bosonic field. For this auxiliary field, many possible choices achieve this, and previous studies often use a field that corresponds to a density of fermions. In the present work, we develop a novel approach to this problem by bosonizing the system in terms of the so-called pairing field which corresponds to the superfluid order parameter. Even in the absence of mass- or spin-imbalance, this approach exhibits a sign problem that presents a problem to many Monte-Carlo methods. To circumvent this sign problem, we base our simulation on the Complex Langevin method. The central question of this thesis is if a simulation of a pairing-field-based formalism using the Complex-Langevin method is suitable to study the phase structure of two-component Fermi gases in the presence of spin imbalance. To this end, we develop a lattice theory based on the pairing field by discretizing the continuous Hamiltonian and performing a rigorous derivation of the path integral from there. We pay special attention to the derivation of lattice derivative operators and rescale the theory to be dimensionless. Beyond that, we develop an efficient notation for lattice theories that makes their handling arguably easier than that of continuum theories. With the obtained theory, we derive the Langevin equation for the system together with the expressions we need to sample observables and develop a numerical simulation on that basis. We use the simulation to study 0+1-dimensional systems as a proof-of-concept. Specifically, we calculate density equations of state and two-point functions for a range of dimensionless couplings and compare them to exact solutions. Additionally, we compare our obtained results for the two-point functions to general discussions of the analytic properties of correlation functions to gain additional insight into the qualitative and numerical behavior of our simulation. We found that our results for both density equations of state and two-point functions are in excellent agreement with the exact solutions. Going forward, we plan to study systems in d>0 spatial dimensions, beginning with simulations of 1+1-dimensional systems. In d=3 dimensions the pairing field's correspondence to the superfluid order parameter may allow us to efficiently study the spontaneous breaking of the U(1) symmetry of the system. On that basis, we can probe the phase diagram of the system for inhomogeneous phases at finite spin imbalance in future studies.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Ehmann, Florian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: A Lattice Pairing-Field Approach to Ultracold Fermi-Gases
Sprache: Englisch
Referenten: Braun, Prof. Dr. Jens ; Hammer, Prof. Dr. Hans-Werner
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: x, 129 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 7 Juni 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024103
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24103
Kurzbeschreibung (Abstract):

Two-component Fermi gases model the behavior of many systems in different fields of physics, and one of their interesting features is that they condense into superfluids at low temperatures. Ultracold atoms experiments represent one realization of such Fermi gases, and their great flexibility sparked active research into their phase structure. In the literature, there are studies of the phase structure using functional methods, mean-field approximations, and other approaches. In the present work, we aim to perform ab-initio Monte-Carlo simulations of the system to probe their phase structure for inhomogeneous phases in the presence of spin imbalance. Such simulations generally require a bosonization of the theoretical description of the system that rewrites the theory in terms of an auxiliary bosonic field. For this auxiliary field, many possible choices achieve this, and previous studies often use a field that corresponds to a density of fermions. In the present work, we develop a novel approach to this problem by bosonizing the system in terms of the so-called pairing field which corresponds to the superfluid order parameter. Even in the absence of mass- or spin-imbalance, this approach exhibits a sign problem that presents a problem to many Monte-Carlo methods. To circumvent this sign problem, we base our simulation on the Complex Langevin method. The central question of this thesis is if a simulation of a pairing-field-based formalism using the Complex-Langevin method is suitable to study the phase structure of two-component Fermi gases in the presence of spin imbalance. To this end, we develop a lattice theory based on the pairing field by discretizing the continuous Hamiltonian and performing a rigorous derivation of the path integral from there. We pay special attention to the derivation of lattice derivative operators and rescale the theory to be dimensionless. Beyond that, we develop an efficient notation for lattice theories that makes their handling arguably easier than that of continuum theories. With the obtained theory, we derive the Langevin equation for the system together with the expressions we need to sample observables and develop a numerical simulation on that basis. We use the simulation to study 0+1-dimensional systems as a proof-of-concept. Specifically, we calculate density equations of state and two-point functions for a range of dimensionless couplings and compare them to exact solutions. Additionally, we compare our obtained results for the two-point functions to general discussions of the analytic properties of correlation functions to gain additional insight into the qualitative and numerical behavior of our simulation. We found that our results for both density equations of state and two-point functions are in excellent agreement with the exact solutions. Going forward, we plan to study systems in d>0 spatial dimensions, beginning with simulations of 1+1-dimensional systems. In d=3 dimensions the pairing field's correspondence to the superfluid order parameter may allow us to efficiently study the spontaneous breaking of the U(1) symmetry of the system. On that basis, we can probe the phase diagram of the system for inhomogeneous phases at finite spin imbalance in future studies.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Zweikomponentige Fermigase modellieren das Verhalten vieler Systeme in verschiedenen Feldern der Physik und einer ihrer interessanten Aspekte ist, dass sie bei tiefen Temperaturen zu Superfluiden kondensieren. Experimente mit ultrakalten Atomen stellen eine Realisierung solcher Fermigase dar. Ihre große Flexibilität hat zu aktiver Forschung auf diesem der Phasenstruktur solcher Fermigase geführt. In der Literatur existieren Studien dieser Phasenstruktur auf Basis von funktionalen Methoden, Mean-Field-Näherungen und anderen Ansätzen. In der vorliegenden Arbeit beabsichtigen wir ab initio Monte-Carlo Simulationen dieses Systems durchzuführen, um die Phasenstruktur für inhomogene Phasen bei endlicher Spinpolarisierung zu untersuchen. Simulationen dieser Art erfordern in aller Regel eine Bosonisierung der theoretischen Beschreibung des Systems, die die Theorie in Form von bosonischen Hilfsfeldern darstellt. Es gibt viele mögliche Realisierungen für ein solches bosonisches Hilfsfeld und bisherige Studien haben oft ein Feld verwendet, welches Dichten von Fermionen entspricht. In dieser Arbeit hingegen entwickeln wir einen neuen Zugang zu diesem Problem, in dem wir das System durch das sogenannte Pairig Field darstellen, das dem superfluiden Ordnungsparameter entspricht. Selbst ohne Massen- oder Spinpolarisierung weist dieser Zugang ein Vorzeichenproblem auf, welches ein Problem für viele Monte-Carlo Methoden darstellt. Um dieses Vorzeichenproblem zu umgehen, basieren wir unsere Simulation auf der Complex-Langevin-Methode. Die zentrale Fragestellung dieser Dissertation ist, ob eine Simulation eines solchen Pairing-Field-basierten Formalismus unter Verwendung der Complex-Langevin-Methode geeignet ist, um die Phasenstruktur zweikomponentiger Fermigase in Anwesenheit von Spinpolarisierung zu untersuchen. Zu diesem Zweck entwickeln wir eine Gittertheorie, die auf dem Pairing Field basiert, indem wir den kontinuierlichen Hamiltonoperator diskretisieren und von diesem Punkt aus eine rigorose Herleitung des Pfradintegrals durchführen. Dabei legen wir besonderes Augenmerk auf die Herleitung von Ableitungsoperatoren auf dem Gitter und reskalieren die Theorie zu dimensionslosen Größen. Darüber hinaus entwickeln wir eine effiziente Notation für Gittertheorien, die deren Handhabung unter Umständen einfacher macht als die Handhabung von Kontinuumstheorien. Mit der gewonnenen Theorie leiten wir die Langevingleichung für das System und die Ausdrücke zur Berechnung von Observablen her und entwickeln eine numerische Simulation auf dieser Basis. Wir nutzen diese Simulation, um 0+1-dimensionale Systeme als Proof of Concept zu studieren. Insbesondere berechnen wir Dichtezustandsgleichungen und Zweipunktfunktionen für eine Reihe von dimensionslosen Kopplungen und vergleichen diese mit exakten Lösungen. Darüber hinaus vergleichen wir unsere Ergebnisse für Zweipunkfunktionen mit allgemeinen Diskussionen von analytischen Eigenschaften von Korrelationsfunktionen, um zusätzliches Verständnis über das qualitative und numerische Verhalten unserer Simulation zu erlangen. Wir fanden heraus, dass sowohl unsere Resultate für Dichtezustandsgleichungen, als auch die für Zweipunktfunktionen exzellent mit exakten Lösungen übereinstimmen. Von hier an planen wir Systeme in d>0 Raumdimensionen zu studieren, beginnend mit Simulationen von 1+1-dimensionalen Systemen. In d=3 Dimensionen kann die Entsprechung des Pairing Fields zum superfluiden Ordnungsparameter uns erlauben, auf effiziente Weise die spontane Brechung der U(1) Symmetrie des Systems zu studieren. Auf dieser Basis können wir in zukünftigen Studien das Phasendiagramm des Systems auf inhomogene Phasen in Anwesenheit von Spinpolarisierung hin untersuchen.

Deutsch
Freie Schlagworte: computational, ultracold atoms, monte carlo, complex langevin
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-241035
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Theoretische Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Theoretische Kernphysik > Stark gekoppelte fermionische Systeme
Hinterlegungsdatum: 16 Jun 2023 10:15
Letzte Änderung: 20 Jun 2023 11:39
PPN:
Referenten: Braun, Prof. Dr. Jens ; Hammer, Prof. Dr. Hans-Werner
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 7 Juni 2023
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