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<dc:title>Monitoreando la dinámica de muchos espines con ecos de reversión temporal por resonancia magnética nuclear. </dc:title>
<dc:title_english>Monitoring the dynamic of many-spins systems with time reversion echoses by NMR.</dc:title_english>
<dc:creator>Lozano Negro, Fabricio S.</dc:creator>
<dc:subject>Materia condensada</dc:subject>
<dc:subject>Física</dc:subject>
<dc:subject>Nuclear magnetic resonance</dc:subject>
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<dc:subject>Eco de Loschmidt]</dc:subject>
<dc:description>La dinámica de sistemas cuánticos de muchos cuerpos, es de gran importancia para el
estudio de la física de la materia condensada como para el de moléculas muy grandes
en química y biología, y es además un problema muy desafiante de resolver debido a su
gran complejidad y efectos antintuitivos que contiene. En la actualidad, existen muchas
preguntas abiertas para entender sus dinámicas, en particular relacionadas a efectos de
localización, no termalización e irreversibilidad de estas dinámicas. Recientemente, se
ha observado una nueva transición de fase en el comportamiento dinámico coherente
de un sistema cuántico de muchos cuerpos en tres dimensiones, utilizando resonancia
magnética nuclear en un sistema en estado sólido a temperatura ambiente [G.A. Alvarez,
et al. Science 349, 846 (2015)]. Se observó que perturbando el hamiltoniano que
gobierna la dinámica coherente, por encima de un valor crítico, la extensión espacial de
las superposiciones cuánticas creadas por la evolución se localizan. En este trabajo de
maestría se estudiaron analíicamente y numéricamente dinámicas cuánticas en cadenas
de espines emulando condiciones análogas a las de los experimentos realizados. Se
simularon dinámicas perturbadas, y se las revirtieron en el tiempo con el hamiltoniano
sin perturbar. Este fenómeno de reversión temporal, genera un eco cuya magnitud cuanti
ca los efectos de la perturbación y la irreversivilidad temporal de esta dinámica. Se
realizaron diferentes simulaciones, con distintas perturbaciones y sistemas, con el fin de
analizar la conexión entre el decaimiento del eco de la reversión temporal y los efectos
de localización observados experimentalmente. Se implemento una técnica basada en
el paralelismo cuántico para simular dinámicas de muchos espines, llegando a simular
cadenas de N = 18 espines. Se observaron efectos de localización en las dinámicas simuladas
análogos a los observados experimentalmente. Se identicaron distintos regímenes
de crecimiento del tamaño de correlación de las superposiciones cuánticas creadas durante
la evolución. Con estas simulaciones se reprodujeron además los comportamientos
de los decaimientos de los ecos observados experimentalmente, comparando las tasas
de decaimiento de los ecos en función de la perturbación. Se identicaron tres regímenes
dinámicos que dictan las leyes de decaimiento de los ecos. Un decaimiento inicial
cuadrático/gausiano en el tiempo, seguido por un régimen de decaimiento exponencial,
terminando por último en un nuevo régimen de decaimiento gausiano a tiempos largos.
Los primeros dos regímenes son independientes del tamaño del sistema, dependen de
la perturbación y de la condición inicial del sistema y muestran ser dependientes de
las leyes dinámicas que dictan el crecimiento del numero de espines correlacionados.
El tercer régimen, depende del tamaño del sistema, pero maniesta converger a un
régimen independiente del tamaño nito del sistema al extrapolar un crecimiento en
N. Este régimen evidencia estar asociado a los efectos de localización observados en
las simulaciones. Se llegó a una expresión analítica de la tasa de decoherencia para los
primeros dos regímenes de decaimiento de los ecos en función de la perturbación y se
utilizó para ajustar los datos experimentales. Observamos un excelente ajuste de las
curvas experimentales. Estos resultados proveen una nueva herramienta para utilizar
los ecos de reversión temporal para monitorear el comportamiento de la dinámica de
muchos cuerpos, y servirán como trabajo a futuro para re-analizar y re-interpretar los
datos experimentales observados en [G.A. Alvarez, et al. Science 349, 846 (2015)]. En
conjunto los resultados de esta tesis proporcionan una nueva visión sobre las posibilidades
de controlar sistemas cuánticos grandes, necesarias para el desarrollo de nuevas
tecnologías cuánticas, como los sensores cuánticos, y contribuyen al entendimiento de
los orígenes de la irreversibilidad cuántica y los efectos de localización.</dc:description>
<dc:description_english>The dynamics of complex quantum systems, ubiquitous in condensed matter physics
and in large molecules like proteins, is hard to be studied for understanding several observed
non-intuitive effects. There are still many open questions, in particular, related
to localization effects, non-thermalization and irreversibility of these dynamics.
Recently, a new kind of phase transition has been observed in the coherent dynamical
behavior of a 3D many-body quantum system [G.A. Alvarez, et al. Science 349,
846 (2015)]. It has been experimentally evidenced through quantum simulations using
nuclear magnetic resonance (NMR) on a solid-state system.
A sudden quench on the interaction Hamiltonian dynamically induces correlations
on the initially uncorrelated spins. The cluster-size of the correlated spins grows indefinitely
as a function of time, and therefore, the spacial extension of the corresponding
quantum superpositions that describes the states. Depending on the quench strength,
a phase transition on the dynamical behavior is manifested leading to a localized dynamics
for quench strengths lower than a critical value.
In this master's degree thesis, we studied analytically and numerically the quantum
dynamics of spins chains under conditions analogous to those of the experiments carried
out. We simulated a perturbed evolution, and then we reversed it back in in time
with the unperturbed control-Hamiltonian. This phenomenon of time reversal of the
dynamics generates an echo whose magnitude quanties the effects of the perturbation
and the temporal irreversibility of the dynamics. Different numerical simulations were
made, with different perturbations and systems, in order to analyze the connection
between the decay of the time-reversal echoes and the localization eects observed experimentally.
A technique based on quantum parallelism was implemented to simulate
many-spin dynamics (up to N = 18 spins).
Localization effects were observed in simulated dynamics similar to those observed
experimentally. Different regimes were identied on the growing evolution of the
cluster-size of correlated spins. These simulations reproduced the experimental behavior
of the echo's decays and their decays rates as a function of the perturbation.
Three dynamical regimes were identied ruled by different echo's decays laws. An
initial Quadratic/Gaussian decay, followed by an exponential decay regime and nally
with a new Gaussian decay regime at long times. The rst two regimes are independent of the system-size, depend on the perturbation and the initial condition of system,
and show to be dependent on dynamic laws that dictate the growth of the number of
correlated spins.
The third regime depends on the system-size N, but it seems to converge to an
size-independent regime when large values of N are extrapolated. This regime proves
to be associated with Localization eects observed in the simulations. We developed an
analytical expression of the decoherence rate for the rst two eco's decay regimes as a
function of the perturbation and it was used to adjust and reproduce the experimental
data behavior. These results provide a new tool to use the time-reversal echoes to
monitor the behavior of many-body dynamics, and it will serve to re-analyze and reinterpret
the experimental data observed in [ G.A. Alvarez, et al. Science 349, 846
(2015)] as a future work. Altogether the results of this thesis provides a new insigths
on the possibilities to control large quantum systems necessary for the development
of novel quantum technologies, such as quantum sensors, and it contributes to the
understanding of the origins of quantum irreversibility and the localization effects.
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<dc:date>2018-12-12</dc:date>
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<dc:identifier>Lozano Negro, Fabricio S. (2018) Monitoreando la dinámica de muchos espines con ecos de reversión temporal por resonancia magnética nuclear. / Monitoring the dynamic of many-spins systems with time reversion echoses by NMR. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.</dc:identifier>
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This phenomenon of time reversal of the dynamics generates an echo whose magnitude quanties the effects of the perturbation and the temporal irreversibility of the dynamics. Different numerical simulations were made, with different perturbations and systems, in order to analyze the connection between the decay of the time-reversal echoes and the localization eects observed experimentally. A technique based on quantum parallelism was implemented to simulate many-spin dynamics (up to N = 18 spins). Localization effects were observed in simulated dynamics similar to those observed experimentally. Different regimes were identied on the growing evolution of the cluster-size of correlated spins. These simulations reproduced the experimental behavior of the echo's decays and their decays rates as a function of the perturbation. Three dynamical regimes were identied ruled by different echo's decays laws. 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Alvarez, et al. Science 349, 846 (2015)] as a future work. Altogether the results of this thesis provides a new insigths on the possibilities to control large quantum systems necessary for the development of novel quantum technologies, such as quantum sensors, and it contributes to the understanding of the origins of quantum irreversibility and the localization effects. 2018-12-12 Tesis NonPeerReviewed application\/pdf http:\/\/ricabib.cab.cnea.gov.ar\/747\/1\/Lozano_Negro.pdf es Lozano Negro, Fabricio S. (2018) Monitoreando la din\u00e1mica de muchos espines con ecos de reversi\u00f3n temporal por resonancia magn\u00e9tica nuclear. \/ Monitoring the dynamic of many-spins systems with time reversion echoses by NMR. Maestr\u00eda en Ciencias F\u00edsicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http:\/\/ricabib.cab.cnea.gov.ar\/747\/"
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