Published October 7, 2019 | Version v1
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Out-of-equilibrium dynamics in a quantum impurity model

Description

The fields of in- and out-of-equilibrium quantum many-body systems are major topics in Physics, and in condensed-matter Physics in particular. The equilibrium properties of one-dimensional problems are well studied and understood theoretically for a vast amount of interacting models, from lattice spin chains to quantum fields in a continuum. This progress was allowed by the development of diverse powerful techniques, for instance, Bethe Ansatz, renormalization group, bosonization, matrix product states and conformal field theory. Although the equilibrium characteristics of many models are known, this is in general not enough to describe their non-equilibrium behaviors, the latter often remain less explored and much less understood. Quantum impurity models represent some of the simplest many-body problems. But despite their apparent simplicity, they can capture several important experimental phenomena, from the Kondo effect in metals to transport in nanostructures such as point contacts or quantum dots. In this thesis consider a classic impurity model - the interacting resonant level model (IRLM). The model describes spinless fermions in two semi-infinite leads that are coupled to a resonant level -- called quantum dot or impurity -- via weak tunneling and Coulomb repulsion. We are interested in out-of-equilibrium situations where some particle current flows through the dot, and study transport characteristics like the steady current (versus voltage), differential conductance, backscattered current, current noise or the entanglement entropy. We perform extensive state-of-the-art computer simulations of model dynamics with the time-dependent density renormalization group method (tDMRG) which is based on a matrix product state description of the wave functions. We obtain highly accurate results concerning the current-voltage and noise-voltage curves of the IRLM in a wide range parameter of the model (voltage bias, interaction strength, tunneling amplitude to the dot, etc.).These numerical results are analyzed in the light of some exact out-of-equilibrium field-theory results that have been obtained for a model similar to the IRLM, the boundary sine-Gordon model (BSG).This analysis is in particular based on identifying an emerging Kondo energy scale and relevant exponents describing the high- and low- voltage regimes. At the two specific points where the models are known to be equivalent our results agree perfectly with the exact solution. Away from these two points, we find that, within the precision of our simulations, the transport curves of the IRLM and BSG remain very similar, which was not expected and which remains somewhat unexplained. (author)

Abstract (French)

Le domaine des problemes quantiques a N-corps a l'equilibre et hors d'equilibre sont des sujets majeurs de la Physique et de la Physique de la matiere condensee en particulier. Les proprietes d'equilibre de nombreux systemes unidimensionnels en interaction sont bien comprises d'un point de vue theorique, des chaines de spins aux theories quantiques des champs dans le continue. Ces progres ont ete rendus possibles par le developpement de nombreuses techniques puissantes, comme, par exemple, l'ansatz de Bethe, le groupe de renormalisation, la bosonisation, les etats produits de matrices ou la theorie des champs invariante conforme. Meme si les proprietes a l'equilibre de nombreux modeles soient connues, ceci n'est en general pas suffisant pour decrire leurs comportements hors d'equilibre, et ces derniers restent moins explores et beaucoup moins bien compris. Les modeles d'impuretes quantiques representent certains des modeles a N-corps les plus simples. Mais malgre leur apparente simplicite ils peuvent capturer plusieurs phenomenes experimentaux importants, de l'effet Kondo dans les metaux aux proprietes de transports dans les nanostructures, comme les points quantiques. Dans ce travail nous considerons un modele d'impurete appele 'modele de niveau resonnant en interaction' (IRLM). Ce modele decrit des fermions sans spin se propageant dans deux fils semi-infinis qui sont couples a un niveau resonant -- appele point ou impurete quantique -- via un terme de saut et une repulsion Coulombienne. Nous nous interessons aux situations hors d'equilibre ou un courant de particules s'ecoule a travers le point quantique, et etudions les proprietes de transport telles que le courant stationnaire (en fonction du voltage), la conductance differentielle, le courant reflechi, le bruit du courant ou encore l'entropie d'intrication. Nous realisons des simulations numeriques de la dynamique du modele avec la methode du groupe de renormalisation de la matrice densite dependent du temps (tDMRG), qui est basee sur une description des fonctions d'onde en terme d'etats produits de matrices. Nous obtenons des resultats de grande precision concernant les courbes courant-voltage ou bruit-voltage de l'IRLM, dans un grand domaine de parametres du modele (voltage, force de l'interaction, amplitude de saut vers le dot, etc.). Ces resultats numeriques sont analyses a la lumiere de resultats exacts de theorie des champs hors d'equilibre qui ont ete obtenus pour un modele similaire a l'IRLM, le modele de Sine-Gordon avec bord (BSG). Cette analyse est en particulier basee sur l'identification d'une echelle d'energie Kondo et d'exposants decrivant les regimes de petit et grand voltage. Aux deux points particuliers ou les modeles sont connus comme etant equivalents, nos resultats sont en accord parfait avec la solution exacte. En dehors de ces deux points particuliers nous trouvons que les courbes de transport de l'IRLM et du modele BSG demeurent tres proches, ce qui etait inattendu et qui reste dans une certaine mesure inexplique

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Original title (English)
Dynamique hors d'equilibre dans un modele d'impurete quantique

Publishing Information

Imprint Pagination
108 p.
Report number
FRCEA-TH--13431

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
52097796
Subject category
S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
COMPUTERIZED SIMULATION; FERMIONS; FIELD THEORIES; IMPURITIES; KONDO EFFECT; MANY-BODY PROBLEM; WAVE FUNCTIONS
Descriptors DEC
FUNCTIONS; SIMULATION

Optional Information

Notes
132 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses