Supervisor at Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen: Dr. Habil. Karl Jansen / Mit Tensor Netzwerken (TN) untersuchen wir auf einem hexagonalen Gitter das Hubbard-Modell mit einem chemischen Potential. Wir zeigen, dass ein TN als Ansatz für die Zustände des Modells benutzt werden kann und präsentieren die berechneten Eigenschaften bei niedrigen Energien. Unser Algorithmus wendet eine imaginäre Zeitentwicklung auf einen fermionischen projected engangled pair state (PEPS) auf einem endlichen Gitter mit offenen Randbedingungen an. Der Ansatz kann auf einen spezifischen fermionischen Paritätssektor beschränkt werden, was es uns ermöglicht, den Grundzustand und den Zustand mit einem Elektron weniger zu simulieren. Mehrere in unserer Arbeit entwickelte Verbesserungen des Algorithmus führen zu einer erheblichen Steigerung der Effizienz und Genauigkeit. Wir messen Erwartungswerte mit Hilfe eines boundary matrix product state. Wir zeigen, dass Observablen in dieser Näherung mit einer weniger starken Trunkierung, als in der Literatur erwartet wird, berechnet werden können. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der numerischen Kosten des Algorithmus. Für verschiedene Stärken der lokalen Wechselwirkung, sowie für mehrere chemische Potentiale berechnen wir die Energie, die Teilchenzahl und die Magnetisierung mit guter Genauigkeit. Wir zeigen die Abhängigkeit der Teilchenzahl vom chemischen Potential und berechnen die Energielücke. Wir demonstrieren die Skalierbarkeit zu großen Gittern mit bis zu 30 × 15 Gitterpunkten und machen Vorhersagen in einem Teil des Phasenraums, der für Monte-Carlo nicht zugänglich ist. Allerdings finden wir auch Limitierungen des Algorithmus aufgrund von Instabilitäten, die die Berechnungen im Paritätssektor behindern, welcher orthogonal zum Grundzustand ist. Wir diskutieren Ursachen und Indikatoren und schlagen Lösungen vor. Unsere Arbeit bestätigt, dass TN genutzt werden können, um den niederenergetischen Sektors des Modells zu erforschen. Dies eröffnet den Weg zu einem umfassenden Verständnis des Phasendiagramms. / Using tensor network (TN) techniques, we study the Hubbard model on a honeycomb lattice with a chemical potential, which models the electron structure of graphene. In contrast to Monte Carlo methods, TN algorithms do not suffer from the sign problem when a chemical potential is present. We demonstrate that a tensor network state can be used to simulate the model and present the calculated low energy properties of the Hubbard model. Our algorithm applies an imaginary time evolution to a fermionic projected entangled pair state (PEPS) on a finite lattice with open boundary conditions. The ansatz can be restricted to a specific fermionic parity sector which allows us to simulate the ground state and the state with one electron less. Several improvements of the algorithm developed in our work lead to a substantial performance increase of the efficiency and precision. We measure expectation values with a boundary matrix product state and show that observables can be calculated with a lower bond dimension of this approximation than expected from the literature. This decreases the numerical costs of the algorithm significantly. For varying onsite interactions and chemical potentials we calculate the energy, particle number and magnetization with good precision. We show the dependence of the particle number on the chemical potential and compute the single particle gap. We demonstrate the scalability to large lattices of up to 30 × 15 sites and make predictions in a part of the phase space that is not accessible to Monte Carlo methods. However, we also find limitations of the algorithm due to instabilities that spoil the calculations in the parity sector orthogonal to the ground state. We discuss the causes and indicators of such instabilities and propose solutions. Our work validates that TNs can be utilized to study the low energy properties of the Hubbard model on a honeycomb lattice with a chemical potential, thus opening the road to finally understand its phase diagram.

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This thesis covers most of my work in the field of ultracold atoms loaded in optical lattices. This thesis can be divided into five different parts. In Chapter 1, after a brief introduction to the field of optical lattices I review the fundamental aspects pertaining to the physics of systems in periodic potentials and a short overview of the experiments on ultracold atoms in an optical lattice. In Chapter 2 we develop an inhomogeneous mean-field theory for the extended Bose-Hubbard model with a quadratic, confining potential. In the absence of this poten¬tial, our mean-field theory yields the phase diagram of the homogeneous extended Bose-Hubbard model. This phase diagram shows a superfluid (SF) phase and lobes of Mott-insulator(MI), density-wave(DW), and supersolid (SS) phases in the plane of the chemical potential and on-site repulsion ; we present phase diagrams for representative values of , the repulsive energy for bosons on nearest-neighbor sites. We demonstrate that, when the confining potential is present, superfluid and density-wave order parameters are nonuniform; in particular, we obtain, for a few representative values of parameters, spherical shells of SF, MI ,DW ,and SSphases. We explore the implications of our study for experiments on cold-atom dipolar con¬densates in optical lattices in a confining potential. In Chapter3 we present an extensive study of Mottinsulator( MI) and superfluid (SF) shells in Bose-Hubbard (BH) models for bosons in optical lattices with har¬monic traps. For this we develop an inhomogeneous mean-field theory. Our results for the BH model with one type of spinless bosons agrees quantitatively with quan¬tum Monte Carlo(QMC) simulations. Our approach is numerically less intensive than such simulations, so we are able to perform calculations on experimentally realistic, large three-dimensional(3D) systems, explore a wide range of parameter values, and make direct contact with a variety of experimental measurements. We also generalize our inhomogeneous mean-field theory to study BH models with har¬monic traps and(a) two species of bosons or(b) spin-1bosons. With two species of bosons we obtain rich phase diagrams with a variety of SF and MI phases and as¬sociated shells, when we include a quadratic confining potential. For the spin-1BH model we show, in a representative case, that the system can display alternating shells of polar SF and MI phases; and we make interesting predictions for experi¬ments in such systems. . In Chapter 4 we carry out an extensive study of the phase diagrams of the ex-tended Bose Hubbard model, with a mean filling of one boson per site, in one dimension by using the density matrix renormalization group and show that it contains Superfluid (SF), Mott-insulator (MI), density-wave (DW) and Haldane ¬insulator(HI) phases. We show that the critical exponents and central charge for the HI-DW,MI-HI and SF-MI transitions are consistent with those for models in the two-dimensional Ising, Gaussian, and Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) uni¬versality classes, respectively; and we suggest that the SF-HI transition may be more exotic than a simple BKT transition. We show explicitly that different bound¬ary conditions lead to different phase diagrams.. In Chapter 5 we obtain the excitation spectra of the following three generalized of Bose-Hubbard(BH) models:(1) a two-species generalization of the spinless BH model, (2) a single-species, spin-1 BH model, and (3) the extended Bose-Hubbard model (EBH) for spinless interacting bosons of one species. In all the phases of these models we show how to obtain excitation spectra by using the random phase approximation (RPA). We compare the results of our work with earlier studies of related models and discuss implications for experiments.

Les systèmes fortement corrélés, pouvant adopter des phases surprenantes de la matière, émergent dans le domaine des atomes ultra-froids ou dans celui de l’électrodynamique quantique en cavité (CQED). Ceux-ci sont au centre d’intenses travaux expérimentaux et théoriques. Dans cette thèse, nous présentons une étude de deux modèles de bosons avec deux ou zéro états internes. Ceux-ci peuvent se déplacer sur un réseau, et sont localement couplés avec des spins 1/2. Notre intérêt réside dans la détermination du diagramme de phase de l’état fondamental de ces systèmes ainsi que de l’étude des propriétés de phase et des transitions entre ces dernières. Nous avons utilisé deux outils : une approximation de champ moyen et des simulations de Monte-Carlo quantique, qui fournit des résultats numériquement exacts. Le premier modèle, appelé modèle de Kondo bosonique sur réseau, s’inscrit dans le contexte des atomes ultra-froids sur réseau. Nous trouvons que sa physique est proche de celle du modèle de Bose-Hubbard, présentant des phases de Mott et superfluide. Le couplage local renforce le caractère isolant et on observe l’émergence de phases magnétiques au travers de couplage direct ou indirect entre bosons et/ou spins. Les effets thermiques, inhérents à tout dispositif expériemental, sont aussi étudiés. Le second modèle s’inscrit dans le domaine de la CQED sur réseau, décrit un régime de couplage ultra-fort entre des photons et des atomes, et est appelé modèle de Rabi sur réseau. Le diagramme de phase présente juste deux phases : une phase cohérente dans laquelle les spins locaux s’ordonnent ferromagnétiquement ainsi qu’une phase incohérente compressible paramagnétique / Strongly correlated systems, where new surprising phases of matter may appear both in the context of ultra-cold atoms and cavity quantum electrodynamics, are the focus of intense experimental and theoritical activity. In this thesis we present a study of two models of bosons with two or zero internal states, that is to say spin-1/2 or spin-0 bosons. These particles can move around a lattice, and they are locally coupled to immobile spins 1/2. Our interest was to determine the ground state phase diagram, study phase properties and quantum phase transitions. We used two methods: an approximate one using a mean field approach and the other using quantum Monte-Carlo simulations, which provides numerically exact results. The first model, namely the bosonic Kondo lattice model, is in the context of ultra-cold atoms in optical lattices. We found that its physics is close to that of the Bose-Hubbard model, exhibiting Mott and superfluid phases. The local coupling strengthens the insulating behaviour of the system and magnetism emerges through indirect or direct coupling between bosons. Thermal effects, inherent in experiments, are also studied. The second model, which is in the context of light-matter interaction, describes a situation of an ultra-strong coupling between spin-0 bosons (photons) and local spins 1/2 (two levels atoms) and is known as the Rabi lattice model. The phase diagram generally consists of only two phases: a coherent phase and a compressible incoherent one. The locals

Dans cette thèse, nous avons répondu à certaines questions ouverts dans le domaine de la dynamique hors équilibre des systèmes quantiques unidimensionnels fermés. Durant ces dernières années, les avancées dans les techniques expérimentales ont revitalisé la recherche théorique en physique de la matière condensée et dans l'optique quantique. Nous avons traité trois sujets différents et en utilisant des techniques à la fois numériques et analytiques. Dans le cadre des techniques numériques, nous avons utilisé des méthodes de diagonalisation exacte, l'algorithme du groupe de renormalisation de la matrice densité en fonction du temps (t-DMRG) et l'algorithme de Lanczos. Au début, nous avons étudié la dynamique quantique adiabatique d'un système quantique près d'un point critique. Nous avons démontré que la présence d'un potentiel de confinement modifie fortement les propriétés d'échelle de la dynamique des observables en proximité du point critique quantique. La densité d'excitations moyenne et l'excès d'énergie, après le croisement du point critique, suivent une loi algébrique en fonction de la vitesse de la trempe avec un exposant qui dépend des propriétés spatio-temporelles du potentiel. Ensuite, nous avons étudié le comportement de bosons ultra-froids dans un réseau optique incliné. En commençant par l'hamiltonien de Bose-Hubbard, dans la limite de Hard-Core bosons, nous avons développé une théorie hydrodynamique qui reproduit exactement l'évolution temporelle d'une partie des observables du système. En particulier, nous avons observé qu'une partie de bosons reste piégée, et oscille avec une fréquence qui dépend de la pente du potentiel, au contraire, une autre partie est expulsée hors de la rampe. Nous avons également analysé la dynamique du modèle de Bose-Hubbard en utilisant l'algorithme t-DMRG et l'algorithme de Lanczos. De cette façon, nous avons mis en évidence le rôle de la non-intégrabilité du modèle dans son comportement dynamique. Enfin, nous avons abordé le problème de la thermalisation dans un système quantique étendu. À partir de considérations générales, nous avons introduit la notion de profil de température hors équilibre dans une chaîne des bosons à coeur dure. Nous avons analysé la dynamique du profil de temperature et, notamment, ses propriétés d'échelle / In this thesis we have addressed some open questions on the out-of-equilibrium dynamics of closed one-dimensional quantum systems. In recent years, advances in experimental techniques have revitalized the theoretical research in condensed matter physics and quantum optics. We have treated three different subjects using both numerical and analytical techniques. As far as the numerical techniques are concerned, we have used essentially exact diagonalization methods, the adaptive time-dependent density-matrix renormalization-group algorithm (t-DMRG) and the Lanczos algorithm. At first, we studied the adiabatic quantum dynamics of a quantum system close to a critical point. We have demonstrated that the presence of a confining potential strongly affects the scaling properties of the dynamical observables near the quantum critical point. The mean excitation density and the energy excess, after the crossing of the critical point, follow an algebraic law as a function of the sweeping rate with an exponent that depends on the space-time properties of the potential. After that, we have studied the behavior of ultra-cold bosons in a tilted optical lattice. Starting with the Bose-Hubbard Hamiltonian, in the limit of Hard-Core bosons, we have developed a hydrodynamic theory that exactly reproduces the temporal evolution of some of the observables of the system. In particular, it was observed that part of the boson density remains trapped, and oscillates with a frequency that depends on the slope of the potential, whereas the remaining packet part is expelled out of the ramp. We have also analyzed the dynamics of the Bose-Hubbard model using the tDMRG algorithm and the Lanczos algorithm. In this way we have highlighted the role of the non-integrability of the model on its dynamical behavior. Finally, we have addressed the issue of thermalization in an extended quantum system. Starting from quite general considerations, we have introduced the notion of out-of-equilibrium temperature profile in a chain of Hard-Core bosons. We have analyzed the dynamics of the temperature profile and especially its scaling properties

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