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Termalización y localización en sistemas fermiónicos de campo medio. Thermalization and location from fermionic systems at mean field. Autor. Don Gabriel Carro Sevillano [email protected] Director. Doctor Armando Relaño Pérez [email protected] keywords Thermalization, location, without interacting, integrable system, quasiparticle, correlation, microcanonical, many bodies, shell model, mean field. Palabras clave Termalización, localización, sin interacción, sistema integrable, cuasipartícula, correlación, microcanónica, muchos cuerpos, modelo de capas, campo medio. Contenidos: 0. Resumen………………………………2 1. Abstract……………………………….3 2. Introducción………………………….3 a. Termalización…………………….3 b. Modelo de muchos cuerpos…….4 3. Descripción del modelo…………….6 a. Aproximación del Hamiltoniano a un sistema integrable.……….6 b. Descripción de cuasipartículas en un espacio de Hilbert…………….7 c. Evolución Temporal…………..8 d. Definición del estado inicial…….9 4. Funciones de correlación…………10 a. Descripción matemática……….12 b. Función a programar…………...13 i. Caso Exacto………………….13 ii. Caso Microcanónica…….…..13 5. Resultados…………………………...15 a. Limitaciones de cálculo……........15 b. Correlación para espectro centrado en distintas energías……………..18 c. Correlación para distintas sigmas de nuestro sistema de medida….22 d. Correlación para espectro centrado en distintos coeficientes…………26 e. Correlación según la localidad.30. 6. Conclusiones y comentarios……...31 7. Bibliografía…………………………...32 8. Autorización difusión………………32

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Termalización y localización en sistemas

fermiónicos de campo medio.

Thermalization and location from fermionic systems at mean field.

Autor. Don Gabriel Carro Sevillano

[email protected]

Director. Doctor Armando Relaño Pérez

[email protected]

keywords

Thermalization, location, without interacting, integrable system, quasiparticle,

correlation, microcanonical, many bodies, shell model, mean field.

Palabras clave

Termalización, localización, sin interacción, sistema integrable, cuasipartícula,

correlación, microcanónica, muchos cuerpos, modelo de capas, campo medio.

Contenidos:

0. Resumen………………………………2

1. Abstract……………………………….3

2. Introducción………………………….3

a. Termalización…………………….3

b. Modelo de muchos cuerpos…….4

3. Descripción del modelo…………….6

a. Aproximación del Hamiltoniano a

un sistema integrable….……….6

b. Descripción de cuasipartículas en

un espacio de Hilbert…………….7

c. Evolución Temporal…………..8

d. Definición del estado inicial…….9

4. Funciones de correlación…………10

a. Descripción matemática……….12

b. Función a programar…………...13

i. Caso Exacto………………….13

ii. Caso Microcanónica…….…..13

5. Resultados…………………………...15

a. Limitaciones de cálculo……........15

b. Correlación para espectro centrado

en distintas energías……………..18

c. Correlación para distintas sigmas

de nuestro sistema de medida….22

d. Correlación para espectro centrado

en distintos coeficientes…………26

e. Correlación según la localidad….30.

6. Conclusiones y comentarios……...31

7. Bibliografía…………………………...32

8. Autorización difusión………………32

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Resumen

En el presente documento se presenta el estudio realizado como trabajo fin de máster,

basado en el estudio de un sistema de fermiones independientes como aproximación más

sencilla a un modelo de muchas partículas. Y para el cual considero una aproximación de

campo medio genérico.

El objetivo de dicho estudio, es evaluar si el sistema termaliza, es decir, si su estado de

equilibrio puede describirse mediante unas pocas variables globales o macroscópicas.

La Motivación de este estudio, se debe al gran interés despertado, por recientes

experimentos basados en fundamentos de la física estadística. En concreto en se

concluye que los observables no locales en el espacio de cuasipartículas, termalizan en

cadenas integrables de espín. Por lo que, este trabajo pretende estudiar la misma

fenomenología en un sistema cuántico integrable genérico con el fin de analizar si los

resultados de , pueden ampliarse a otros sistemas de tipo similar a los estudiados en el

artículo mencionado.

Sin embargo, las conclusiones del presente trabajo, revelan que, en general, la

dependencia con las condiciones iniciales es relevante, con lo que el sistema no termaliza,

frustrando así, las posibilidades de definir el sistema por medio de un modelo térmico de

variables macroscópicas, menos complejas que la descripción puramente cuántica.

Summary

This paper presents the study as Master's Thesis, from the analysis to a system, from

independent fermions as simplest approach by many-particle model. And which consider a

generic mean field approximation.

The objective of this study is, evaluate whether the system thermalize and if its equilibrium

state can be described by a few global macroscopic variables.

The motivation for this, it is due to the great interest aroused by recent experiments based

on fundamentals of statistic physics. Specifically in , where concluded that the non-local

observables in the space of quasiparticles, thermalize in integrable spin chains. So, this

paper aims to study the same phenomenology in a generic integrable quantum system in

order to analyze, whether the results from , can be extended to other systems of a

similar type to those studied in the aforementioned article.

However, the findings of this study see that, in general, the dependence from initial

conditions is remarkable with what the relaxation from the system. That frustrates the

possibilities to define the system using a thermal model of macroscopic variables, less

complex than purely quantum description.

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1. Abstract

Estudio de un sistema de fermiones por medio de una interacción general de campo

medio, mediante un sistema ordenado, de partículas independientes. Centrado en estudiar

su compatibilidad como sistema térmico, por medio del estudio de las condiciones iniciales.

2. Introducción

a. Termalización

La termalización se define como un proceso, por el cual, un sistema llega a un

estado de equilibrio térmico, que guarda dependencia con parámetros macroscópicos del

sistema (Energía, número de partículas, etcétera), pero no, con los detalles

microscópicos del sistema.

Conviene distinguir este concepto de la relajación, que consiste, en la evolución de

un sistema desde un estado de no equilibrio a un estado de equilibrio, y en este, el

sistema fluctúa sin cambios macroscópicos apreciables. A diferencia de la termalización,

el estado de equilibrio en una relajación puede depender, en general de todos los detalles

de la condición inicial.

Dicho esto, cabe afirmar que aunque la mayoría de los sistemas cuánticos relajan,

no todos ellos termalizan, y además no se conoce actualmente un criterio para

discriminar a priori, qué sistemas termalizan y cuales no .

Por tanto, la intención principal de este trabajo, es observar, si un sistema cuántico

integrable concreto termaliza, y por tanto la posibilidad ser descrito por parámetros

macroscópicos.

Para este trabajo, nos centramos en sistemas aislados, razón por la cual, los únicos

parámetros de relevancia serán la energía y el número de partículas. Dicho esto, nuestro

objetivo es estudiar si los estados de equilibrio en este tipo de sistemas, dependen o no

de los detalles de la condición inicial, y si coinciden con las predicciones de la física

estadística, en función de la energía y el número de partículas.

Para la mecánica clásica, el requisito para que se observe una termalización, es el

caos, haciendo “olvidar” al sistema su condición inicial, dejando su estado de equilibrio

bien descrito por medio de la energía y el número de partículas.

Sin embargo, en la mecánica cuántica, sobre todo, para sistemas cuánticos

mesoscópicos (de 100, 100, 1000 partículas, es decir, lejos del límite termodinámico), no

está tan claro, qué condiciones se deben dar para que termalicen los sistemas.

Cabe esperar, por analogía a la mecánica clásica, que los sistemas integrables no

termalicen. Ya que clásicamente estos sistemas se caracterizan por poseer varias

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constantes del movimiento no triviales, razón por la cual el estado de equilibrio no se

puede describir únicamente mediante la energía.

Sin embargo, cuánticamente no está tan claro esto, ya que todo sistema cuántico

finito, tiene una única constante de movimiento no trivial, todas las demás son funciones

de esta, por eso, la dinámica integrable no está dada en mecánica cuántica.

Esto ha llevado a estudiar en detalle la dinámica de sistemas integrables. Aunque

no existe una definición absolutamente general, de lo que es un sistema cuántico

integrable, se suele afirmar que un sistema fermiónico integrable puede escribirse

Donde, para nuestro caso, los proceden de la teoría de matrices aleatorias, que

sirven para describir las propiedades generales de sistemas cuánticos integrables y

caóticos. Y los operadores y se refieren al llamado espacio de cuasipartículas, pues

no crean y destruyen partículas reales (electrones, protones, neutrones,…), sino

cuasipartículas, que tienen las mismas propiedades matemáticas que las partículas

reales, pero no existen como tales.

Los resultados de sirven para conjeturar que los observables no locales en el

espacio de estas cuasipartículas termalizan mucho mejor que las locales, a lo cual, se ha

llegado mediante el análisis numérico de sistemas de espines en dicho artículo.

Nuestro objetivo es trabajar en campo medio, analizando observables genéricos en

función de la localidad, y completar o descartar la aplicabilidad de tal afirmación en

modelos de estructura nuclear.

b. Modelo de muchos cuerpos

Para proceder al estudio que se pretende, se debe partir de la descripción de un

sistema de partículas. Donde la interacción más general de muchas partículas es

Suponiendo, que no hay interacciones de tres o más cuerpos y que los potenciales

de interacción dependan solo de las posiciones.

Por lo tanto, esta descripción, contiene toda la información del sistema dado por la

mecánica cuántica, a la que contribuyen todas las partículas del sistema y sus

interacciones.

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El problema, es que, cuanto mayor es el número de partículas o compleja sea la

interacción entre ellas, esta información se hace más inmanejable y se deben realizar

aproximaciones para hacer posible un cálculo. En el caso que nos ocupa, realizo una

aproximación de campo medio, donde la interacción entre partículas se denota como un

potencial asociado a la cada partícula independiente del resto , de manera que se

convierte en algo más manejable con respecto al cálculo:

Como se puede observar en esta relación, se han renombrado las variables

referidas a las partículas, por , referidas a las cuasipartículas.

La relación, entre partícula y cuasipartícula, se aprecia mejor utilizando el

formalismo de la segunda cuantización. En general, una interacción a dos cuerpos puede

escribirse

En algunos casos, puede realizarse una transformación , que permite

reescribir el Hamiltoniano según la cuantización

Donde los operadores y están referidas a las cuasipartículas.

Si dicha transformación es exacta, se dice que el sistema es integrable. Aunque en

general, esto no puede realizarse y se debe ampliar con términos a dos cuerpos análogos

a la ecuación .

Con esta aproximación , se puede definir un conjunto de niveles de energías que

responden a las energías de la ecuación , de manera que podemos definir con

esta última, un modelo de campo medio para nuestro estudio concreto.

Por simplicidad, tratamos el caso sin degeneración, ya que tal caso, no implica

información relevante a nuestro estudio y complica los cálculos, aun así, respetamos el

principio de exclusión de Pauli.

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3. Descripción del modelo

Como se viene indicando, nuestro sistema objeto de estudio es un sistema en un

modelo de campo medio, desgranado ya por el segundo apartado. Sin embargo, sobre el

sistema aun se deben comentar más características.

a. Aproximación del Hamiltoniano a un sistema integrable

Comenzaremos este apartado comentando que, los números de ocupación son

cantidades conservadas y se describen

Cuya suma da el número total de cuasipartículas (o partículas) del sistema

Estas constantes, son las que en analogía a la mecánica clásica, darían un sistema

que no debiera termalizar, pues, contiene tantas constantes de movimiento no triviales,

como niveles tiene el sistema de partícula independiente.

Pese a la analogía clásica, esto no está bien justificado en lo que se refiere al

sistema cuántico. Aunque se puede salvar, ya que, en cualquier sistema cuántico finito (e

incluso infinito), existe una única constante del movimiento no trivial que puede escribirse

Donde son autoestados de energía , tales que:

Independiente de si el sistema es integrable o no, la ecuación sólo se da en

sistemas para los que todos los niveles de energía son diferentes, es decir

Argumento que cumple nuestro sistema de energías utilizado en el cálculo.

Como observación, cualquier constante del movimiento , tal que, , podrá

escribirse como una función analítica del operador .

Así pues, queda justificada la ecuación como representación de un

Hamiltoniano integrable genérico, cuyos niveles contienen las propiedades de los

pozos .

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b. Descripción de cuasipartículas en un espacio de Hilbert

Como ya hemos comentado, las variables gorro no son las que describen

directamente a los nucleones en el sistema de niveles de energía, sino que son sus

representaciones cuyo momento y posición están ajustados a los niveles energéticos

calculados para el campo medio.

Aunque matemáticamente, la idea es idéntica a tener las partículas iniciales y

colocarlas en su nivel energético correspondiente; la energía del nivel no

corresponde al valor fenomenológico de las partículas a ese nivel, sino al de las

cuasipartículas.

No obstante, tenemos una buena descripción matemática del sistema, y con ella,

me voy a centrar el estudio en observables del tipo (transición) , que transforman un

estado con una cuasipartícula en el nivel (destruye la partícula “j”), a otro estado, donde

esta cuasipartícula se encuentra en el nivel (crea una partícula en “i”).

El número de transiciones posibles, depende del número del número de niveles, así

pues el número de transiciones, es la suma de las transiciones a distinto nivel y las que

transicionan a su propio nivel, esto es:

Además, se necesita construir una base de estados sobre un espacio que conserve

las nociones algebraicas para cualquier dimensión (dimensión que coincide con el

número de estados)

Así pues el Hamiltoniano tendrá la dimensión del número de estados:

Donde es la suma de las autoenergías de las cuasipartículas en el estado i,

es el autoestado de energía y la base que estamos usando es,

Cabe observar entonces de cara a los futuros cálculos que:

Además, al tratarse de un sistema no degenerado, lo que encontraré son

para cualquier .

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c. Evolución temporal.

Los operadores que vamos a utilizar, actuarán sobre estados que en un principio

podemos describir por medio de la Imagen de Schrödinger, donde la evolución temporal

está contenida en el ket,

que describe exactamente la evolución del sistema.

Si defino el estado inicial como , puedo tener en cuenta un operador

evolución temporal , tal que,

Donde se describe de forma compatible con la ecuación :

Aunque siguen siendo complicadas matemáticamente, resultan útiles al

definir un operador evolución temporal , que puede aplicarse a los estados (en

imagen de Schrödinger) y a los operadores (en imagen de Heisenberg).

Con lo cual, de aquí se puede extraer la idea de que la dependencia temporal la

tiene el estado del sistema en imagen de Schödinger, y en los observables sobre el

sistema en imagen de Heisenberg.

Dado que la correlación se define como , tanto clásica, como

cuánticamente, y lo que mide, es la correlación que hay entre una magnitud en el instante

0 y el instante t, la existencia de dos imágenes de evolución temporal, es lo que nos

permitirá dotar de sentido a la expresión anterior y calcularla, como haremos en la

sección 4.

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d. Definición del estado inicial

Nuestro estado inicial, es la superposición de autoestados del sistema, sin

embargo, cada uno tendrá asignado un coeficiente, de manera que podamos contener

todos en un solo ket:

Dado que para nuestro estudio, nos fijaremos en torno a una energía, es razonable

suponer que un estado genérico de no equilibrio es una superposición de autoestados,

que podemos describir como una Gausiana, cuyos parámetro serán la energía y su

anchura a la semialtura .

Donde N es el factor de Normalización resultante del la suma de los cuadrados de

todos los coeficientes:

Ambos parámetros energía y anchura dan condiciones iniciales del problema,

luego, serán objeto del estudio que se pretende.

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4. Función de Correlación

El objetivo de estudiar una magnitud habitual en física estadística, que es la

correlación . Se trata de la correlación de cierta magnitud separada por un

espacio de tiempo para observar su evolución. Esta magnitud, para el caso que nos

ocupa es el valor esperado del operador transición.

Dentro de nuestra magnitud a observar en este trabajo, se encuentra la localidad

(relación de conexión niveles), que se define por medio del operador

Cuyo interés reside en la forma matricial , cuya descripción matricial, adaptada

para estudiar su influencia en la termalización será

Aunque nos centraremos en el primer caso de manera que

De manera que la localidad describe la conexión entre niveles muy cercanos entre

sí, y la no localidad para el caso en el que si se conectan niveles cercanos y lejanos con

una amplitud parecida.

Analizaremos los resultados que se obtienen para distintas condiciones iniciales,

con el fin de ver si el estado de equilibrio depende o no del estado inicial. Para ello,

analizaremos el decaimiento de la función de correlación y miraremos si es o no

exponencial.

Para ello, basaremos el análisis en:

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Dichos resultados, van a ser comparados con una predicción estadística, La

colectividad microcanónica.

Dicha predicción, encaja a priori con nuestro sistema ya que se considera el sistema

aislado y no tiene fuga de energía ni de partículas, de manera que puede ser descrito por

su energía y por tanto, se esperarían resultados similares.

Pese a la motivación de ver si el sistema termaliza, también está, la ventaja que

supone un modelo estadístico, frente a la descripción de un estado macroscópico por

medio de una función de onda que es irrealizable según sea el tamaño del sistema, ya

que el número de datos que se dispone acercar del estado microscópico corresponde a

un número de datos muy por debajo de los necesarios para construir su función de onda.

Con lo cual, análoga a la física estadística, no es posible tener en cuenta todas las

condiciones iniciales del sistema, ya que no se puede realizar una descripción mecánica

rigurosa de su comportamiento del sistema. Por ello, en lugar de las condiciones iniciales,

se utiliza la matriz densidad.

La colectividad microcanónica, se caracteriza sobre el resto de las colectividades en

la conservación de la energía y número de partículas (o masa), propiedades que cumple

nuestro sistema. Pero además, se ha de considerar que nuestro sistema es un sistema

cuántico y por ello la colectividad microcanónica debe considerar el carácter cuántico del

sistema.

La microcanónica cuántica, se basa, en sustituir la descripción exacta de la función

de ondas del sistema por una descripción estadística, en la que cada posible función de

ondas tiene cierta probabilidad. En el caso microcanónico, esta depende solo de la

energía. Los autoestados con una energía próxima a la del estado inicial, tienen misma

probabilidad (macroscópicamente indistinguible). Mientras el resto, tienen probabilidad

cero.

De manera que su matriz densidad consiste en una matriz diagonal de dimensión el

número de estados, donde un número de elementos diagonales alrededor de una

pequeña la energía E, donde las energías son casi indistinguibles, pero suficiente para

contener a varias, y el resto son nulos

Siendo M el número de elementos distintos de cero, y la matriz densidad,

elemento a sustituir por los coeficientes de la correlación exacta, para construir la

correlación microcanónica cuántica.

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a. Descripción matemática

Desde lo que ya se ha constatado sobre los estados y operadores, la correlación que

tenemos se describe por medio de la imagen de Schrödinger:

Eligiendo situar el tiempo menor en el instante inicial , así pues, aplicando

la relación correlación queda:

Así que puedo separar por partes la correlación, aplicando los operadores de la

siguiente forma

Aplicando el operador por la derecha, se debe tener en cuenta y :

donde defino , con lo cual:

que para completar podemos tener en cuenta completa

Por otra parte de manera análoga:

Reuniendo y se obtiene:

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De manera que esta es la relación que tengo para programar la correlación.

b. Funciones a programar

i. Caso Exacto

Como acabo de calcular, la correlación exacta para las cuasipartículas es:

Que programaré, teniendo en cuenta que sus componentes son:

ii. Caso Microcanónica

Dado que tratamos con un sistema que conserva la Energía y el número de

partículas, podemos comparar nuestro resultado con una correlación definida en la

colectividad microcanónica, con la siguiente forma

Y nuevamente centro la primera transición en

donde aparece los elementos de matriz de la función de densidad , en lugar

de los coeficientes iniciales, ya que la microcanónica, tiene sentido sólo para los

elementos de la diagonal, puesto que se consideran desviaciones de energía muy

pequeñas respecto de la energía del estado , y además, ya calculados en la

ecuación .

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Por lo tanto

y la resolución del resto de la correlación microcanónica es análoga a la exacta,

con la salvedad de que solo se tienen en cuenta los elementos diagonales de la

base, con lo cual:

iii. Observación.

De Ambas correlaciones se obtiene una suma compleja. Que por

medio de la fórmula de Euler

Separaré para el cálculo en parte Real e Imaginaria. Tomando en cuenta

solamente la parte real, ya que la parte imaginaria, solo será una imagen

desfasada de esta primera y podría perder la información del decaimiento

inicial.

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5. Resultados

a. Limitaciones de cálculo (tiempo y memoria).

Al igual que todo experimento, la simulación numérica en la que trabajo, parte de unas

limitaciones físicas que determinan nuestra ventana de observación, fundamentalmente

tiempo de cálculo y Memoria.

Para ello, el número de estados da un parámetro para poder identificar el número de

variables que debe soportar la memoria, además de la cantidad de procesos que debe

recorrer en tiempo.

El número de estados la obtenemos mediante la relación relacionando Número

de Niveles y el de Fermiones:

Se observa un aumento drástico en el número de estados a tener en cuenta, pues, es

recomendable elegir un sistema lo suficientemente grande como para que sus datos sean

representativos, pero suficientemente pequeño para que se puedan procesar en tiempo.

Y como tengo he de considerar el tiempo que tarda mi sistema, bajo la programación

de Maple, hago una pequeña prueba de estimación, que consiste en hacer que el

ordenador que va a realizar los cálculos, cronometre el tiempo que tarda en contar por

medio de un bucle, obteniendo:

Tabla que da una idea, de no sobrepasar por encima de elementos de cálculo, si

no quiero que el cálculo de las correlaciones se demore o pueda ser interrumpido por

causas ajenas al programa en ese tiempo.

Cálculo realizado en condiciones intensivas

Nº de Cuentas Tiempo (s)

28

580 305 (~5 min)

10380 (~3 h)

Tabla 1.

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Dado que tengo dos operadores en la correlación, debo recorrer los elementos de

cada uno, lo que supone recorrer elementos comparados con los elementos del otro

operador, lo que hace recorrer un total de elementos.

Con lo cual, ya tengo dos criterios que me convergen a estimar un tiempo de cálculo

adecuado, que cote superiormente el número de estados por tiempo, de manera que

podré oscilar entre los 50 y 300 estados. Tal cota a la vista de la gráfica 1, me da criterio

para elegir un sistema con adecuada combinación de Número de fermiones y niveles.

Así pues, ya que al planificarme cálculos y ajustes, daba un tiempo de cálculo muy

largo, decidí optar por un sistema de ocho niveles y cuatro fermiones que aunque no

muy grande de cara al estudio, me da como resultado un número de setenta estados

posibles.

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b. Correlación para espectro centrado en distintas energías

En este apartado, he calculado y dibujado las gráficas para distintas energías,

teniendo en cuenta una anchura de la gausiana y distintos tipos de localidad

con la intención de comparar la correlación para distintos valores energía y localidad.

Dentro del espectro de energías, he elegido las distintas energías que he centrado

a un cuarto, un medio y tres cuartos respectivamente del espectro.

Al observar una caída exponencial muy parecida a la de una colectividad

microcanónica, he realizado ajustes a una exponencial para poder comparar

numéricamente resultados. Para realizar este ajuste, me he fijado en los puntos que

están por encima de la suma la amplitud de la posición de equilibrio y dicha posición, de

manera que solo considero estrictamente la caída desde poco más el tiempo cero, ya que

en cero domina la función coseno de la correlación.

Dicho esto presento la tabla con los datos obtenidos en este ajuste.

42.33140441 -3.431778732 5.363739679 0.1 10.14393934 29.58074148 -1.456138187 3.696166346 0.5 10.14393934 22.81028423 -1.040658558 2.659883618 1 10.14393934 16.09655466 -0.7363986147 -1.987544311 5 10.14393934 16.00064774 -0.7318162240 -6.999055388 10 10.14393934 46.41716134 -3.801848421 5.630831229 0.1 13.90640179 31.23292566 -2.140732725 4.074242825 0.5 13.90640179 23.49396848 -1.507159716 2.908413050 1 13.90640179 16.10394579 -0.9577196492 -1.906891964 5 13.90640179 16.00069705 -0.9499996317 -6.920755381 10 13.90640179 42.33140441 -3.431778722 5.363739677 0.1 17.66886423 29.58074148 -1.456138184 3.696166347 0.5 17.66886423 22.81028423 -1.040658559 2.659883620 1 17.66886423 16.09655463 -0.7363986153 -1.987544310 5 17.66886423 16.00064771 -0.7318162244 -6.999055388 10 17.66886423

Tabla 2.

De esta tabla, resalta, la coincidencia de los coeficientes A B y C, a las Energías

0.14 y 17.67. Debido a propiedades de simetría del espectro de Energías, ya que nos

hemos fijado a tres cuartos, un medio y tres cuartos de él:

Espectro de Energías

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Se puede observar, que a en distintos valores de energía en el espectro, la

tendencia es exponencial (por ello el ajuste). Además, para idéntica localidad, los valores

de ajuste, son cercanos entre energías, lo cual, no hace indicar incompatibilidad aun con

la termalización.

En esta misma tabla, cabe destacar el valor de , que es el valor promedio de

equilibrio, al que tiende nuestra función correlación, que se observa, se acercar a 16

cuanto mayor es el parámetro de localidad alfa (cuanto más local es).

Esto se debe, a la propia definición de localidad, incluida en cada operador de

transición, donde

Y que cuanto mayor es el parámetro , más dominante esla importancia del valor

de , para , haciendo tender hacia:

Donde N es el número de partículas. Puesto que la correlación es el producto de

dos transiciones, tendremos que cuanto mayor es la localidad (o el parámetro ) tenderá

la correlación a

Que para este caso que estudiamos

Lo cual, cuadra perfectamente con la tabla 2. Obtenida y sus correspondientes

gráficas.

Por el contrario, cuanto , tiende a ser mayor que N y por ello resultan

valores más altos. Pero esto último no sucede en la microcanónica (ver tabla 7.), lo cual,

hace pensar, viendo la tabla 3., que la gausiana, contiene (según su sigma respectiva),

varios estados potenciales a aportar cerca de valores , contribuyendo a dar valores

por encima de gracias al factor localidad.

Con motivo de documentar la tabla de datos de forma gráfica. Presento dos gráficas

para cada energía calculadas y ajustadas, con distinta localidad, con el propósito de

poder comparar los resultados de las distintas energías y comenzar a intuir cual es el

efecto de la localidad en la termalización.

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Para energía más baja (10.14), observamos las siguientes gráficas:

El patrón que sigo en este tipo de gráfica es el siguiente:

El color rojo, denota la función de correlación calculada, los puntos verdes,

representan la zona donde se ha realizado el ajuste exponencial de la función de

correlación y el color azul es la representación del ajuste exponencial.

De cara al análisis, vemos como perfectamente se ajusta la correlación a una

exponencial a la cual hemos ajustado, y como advertimos, podemos ver que el valor de

equilibrio, está muy por encima de 16 (aproximadamente 30 y 24) en incluso vemos que

este valor desciende cuanto más local (mayor ).

Aunque ya se observa una oscilación con respecto al valor de equilibrio, me ha

parecido más recomendable observarlo en con otros parámetros más relevantes en los

siguientes apartados, los resultados no dependen de la energía, cosa esperable teniendo

en cuenta que el espectro de partícula independiente procede de la teoría de matrices

aleatorias y no posee ninguna escala de energía característica; además, su densidad de

estados es constante, de forma que la cantidad de estados por unidad de energía es la

misma en las distintas regiones del espectro.

ya que la energía dentro de nuestra formulación, está dentro de una exponencial

compleja (y por tratarse de la parte real, lo que observamos, será la parte del argumento

de un coseno) con lo cual, es un valor acotado (véanse ecuaciones 38 y 39) y no se

espera información con respecto a la oscilación de la correlación.

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Para completar este análisis, implemento para energías de 13.90 y 17.67 sus

gráficas correspondientes, con las mismas consideraciones que la que acabamos de

hacer a Energías 10.14. De manera que podamos comparar o advertir alguna conclusión.

Para energía 13.91:

Para energía 17.67:

Por último, anotar la observación de que la localidad puede afectar a la oscilaciones

en el equilibrio, con lo cual, será un factor interesante a la hora de seguir analizando.

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c. Correlación para distintas sigmas de nuestro sistema de medida

En este caso, nos centramos para un valor central en el espectro de energías, y de

nuevo, varío dos parámetros, en este caso la semianchura de la gausiana y la

localidad .

Donde se detecta nuevamente, una tendencia exponencial y se realiza el ajuste:

18.28411002 3.591134414 -3.639365461 3.798795075 0.1 0.2

17.54094510 1.247724273 - 1.502730151 2.103612546 0.5 0.2

16.93505187 0.600331490 -0.7441337873 0.8887616259 1 0.2

16.01707578 0.009718552 -0.3157223521 - 3.913714518 5 0.2

16.00011504 0.000065452 -0.3075110295 - 8.930711102 10 0.2

27.90538149 7.383187515 -3.447976496 4.703720120 0.1 0.5

23.20362218 2.737069683 -1.474282005 3.148819130 0.5 0.5

20.01064176 1.227311681 -1.061192033 2.173137943 1 0.5

16.06419519 0.015651667 -0.7721684081 - 2.377239666 5 0.5

16.00043144 0.000104824 -0.7690446651 - 7.385882020 10 0.5

46.41716134 16.65360768 - 3.801848422 5.630831229 0.1 1.2

31.23292565 5.367038105 - 2.140732725 4.074242825 0.5 1.2

23.49396848 2.143733462 - 1.507159715 2.908413050 1 1.2

16.10394579 0.024562223 -0.9577196492 - 1.906891964 5 1.2

16.00069705 0.000164303 -0.9499996314 - 6.920755381 10 1.2

62.58076529 24.85586100 - 4.667366634 6.203224287 0.1 5

35.20667635 6.608626112 - 2.583264737 4.400833174 0.5 5

24.56239693 2.403903751 - 1.642224885 3.066037626 1 5

16.11004887 0.0261839915 -0.9089320554 - 1.878850251 5 5

16.00073738 0.0001751304 -0.9012462242 - 6.892959282 10 5

Tabla 3.

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Como ya anunciábamos en el anterior análisis, hemos tenido en cuenta la

desviación del A, que a efectos gráficos, es la desviación típica de la posición

estacionaria (A), y que se observa guarda relación con el crecimiento de como

condición inicial y con como condición de localidad.

Aunque ya queda reflejado en la tabla esta desviación del valor inicial, veámoslo

gráficamente para el valor de sigma:

Donde si nos fijamos en las escalas, advertimos, no solo que las amplitudes son

mayores al aumentar sigma, sino que el valor de equilibrio también sube al aumentar

sigma.

Esto presenta ya un aspecto preocupante respecto a la termalización, ya que si

existiera esta dependencia las condiciones iniciales afectarían a la correlación no sería

termalizable el sistema.

Además, a la vista del ajuste de la tabla 3., al observa A (correlación en el

equilibrio), con respecto a sigma, se ve perfectamente como aumenta con sigma la

correlación de equilibrio y a su vez disminuye con alfa.

Por completar la información, dibujo las gráficas para otros valores de sigma, con

idéntico valor de alfa, para poder comparar u observar algún comportamiento diferente.

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Observamos la variación de sigma a alfa 0.5

Observamos la variación de sigma a alfa 1

Y sin necesidad de aportar más gráficas, se observa claramente que el sistema no

será termalizable respecto a la condición inicial sigma, puesto que la correlación crece

con su valor y da esa dependencia sobre las condiciones iniciales.

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No obstante, esta relación sigma-correlación, merece la pena representarla, de

manera comparativa, de forma que pueda ver al mismo tiempo y con la misma localidad,

distintas correlaciones de sigma:

Basta con mirar una de las cuatro últimas gráficas, para observar la dependencia de

la correlación con sigma hace, que cuanto mayor sea sigma, mayor es el transitorio de

correlación y la amplitud de la misma. Por tanto el sistema es no termalizable con sigma.

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d. Correlación para espectro centrado en distintos coeficientes

En este caso, varío los coeficientes de la condición inicial, de forma que,

aprovechando que los coeficientes son el resultado de una raíz cuadrada y su resolución

contiene raíces positivas y negativas, calcularé tres tipos de correlación atendiendo a las

siguientes situaciones:

- Todos los coeficientes son positivos.

- Los coeficientes positivos se alternan con los negativos.

- Todos los coeficientes son negativos.

Hasta ahora no había considerado el cálculo de la correlación microcanónica, pues

en el caso b, no daba información relevante para distintas energías y para el caso c, la

anchura de la gausiana no es parámetro en la microcanónica, pues presenta

equiprobabilidad entre los estados.

Para este caso, dado que todas las gráficas están saliendo exponenciales, voy

directamente al ajuste exponencial, pero observaré para un caso que no va a ser así.

Expongo el ajuste, para los distintos coeficientes y microcanónica.

Coeficientes Negativos

13.90640179

27.90538148 7.383187515 -3.447976497 4.703720121 0.1 0.5

23.20362218 2.737069683 -1.474282005 3.148819130 0.5 0.5

20.01064176 1.227311681 -1.061192033 2.173137943 1 0.5

16.06419519 0.015651667 -0.7721684083 -2.377239666 5 0.5

16.00043144 0.000104824 -0.7690446651 -7.385882020 10 0.5

41.03997986 14.02421900 -3.669933233 5.428956667 0.1 0.9636

29.26823354 4.704987335 -1.997070978 3.899970437 0.5 0.9636

22.74080222 1.930218347 -1.424140691 2.779397296 1 0.9636

16.09633601 0.022520013 -0.9386474773 -1.979898050 5 0.9636

16.00064628 0.000150658 -0.9316026998 -6.992962687 10 0.9636

56.51412210 21.64244572 -4.181657939 5.974611309 0.1 2

34.18478867 6.353923263 -2.345366616 4.300321070 0.5 2

24.45844241 2.412612277 -1.567021061 3.044789267 1 2

16.11224542 0.026817497 -0.9366798383 1.838904293 5 2

16.00075234 0.000179365 -0.9287361676 6.853286790 10 2

Tabla 4.

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Coeficientes positivos y negativos alternados

13.90640179

Tabla 5.

Coeficientes positivos

13.90640179

Tabla 6.

Colectividad Microcanónica

13.90640179

15.92971300 1.237252555 -4.116128538 3.091698747 0.1

15.97003445 0.3734808107 -1.719863404 1.230667611 0.5

15.98933740 0.1274848647 -1.060815400 -0.1925436826 1

15.99999655 0.0000423775 -0.8908247099 -8.327528349 5

16.00000005 0.0000000002 -0.9392452670 -18.32142674 10

Tabla 7.

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A primera vista, los datos parece que no nos aportan más información de la que

disponemos en las otras, y se ve que respecto a sigma y alfa, parece que no dan

diferencias significativas con la correlación. Pero a la hora de ver las gráficas nos

encontramos con una sorpresa,

Donde se ve, como coinciden perfectamente las correlaciones con coeficientes

positivos puros y coeficientes negativos puros, pero lo más significativo es para

coeficientes que alternan coeficientes positivos y negativos, que dan una correlación no

exponencial y rompe con la forma exponencial de relajación de un sistema microcanónico.

Por lo cual, se confirma también una dependencia de las condiciones iniciales que rompe

la termalización

Pero, veamos si ocurre con otros valores de sigma y alfa:

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A la vista de las gráficas, se ve perfectamente que la correlación para coeficientes

alternados (positivos con negativos), da una ruptura definitiva con la termalización del

sistema que estamos considerando. Así pues el sistema no termalizaría.

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e. Correlación según la localidad

En este apartado pretendo remarcar el comportamiento de la correlación frente a la

localidad por medio del parámetro de alfa. Pero como la información está ya expuesta en

las tablas 3 (correlación cuántica) y 7 (esta última la microcanónica), paso directo a ver

como evoluciona la correlación para distintas sigmas y que evolución provoca utilizar

distintas alfas.

En esta gráfica se observa que a pequeñas alfas (es decir, transiciones poco

locales), debemos fijarnos bien en que la correlación tiende a ser mayor (así como su

apmplitud en el equilibrio) en el tiempo, cuanto mayor es la sigma, que ya lo habíamos

comparado antes.

Sin embargo, al comparar con la siguiente gráfica (de alfa mayor):

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Se observa bien, cuanto más local es la transición el valor de correlación a tiempo

cero y equilibrio tiende a tomar un valor más cercano a y además su amplitud

desciende.

De nuevo por completar de esta explicación implemento, gráficas de mayor alfa:

Que refuerzan completamente nuestras afirmaciones y hacen pensar en una

posible termalización cuanto mayor localidad (mayor ).

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6. Conclusiones y comentarios

El principal argumento que impide totalmente la termalización de nuestro sistema,

ha sido al considerar los distintas fases de los coeficientes, donde hemos probado con los

coeficientes de signo alternado, que existe dependencia de este sistema con las

condiciones iniciales y se ha roto la ley de decaimiento exponencial, con lo cual, ya aquí

se ha producido una ruptura importante, en nuestro camino a termalizar.

Sumado a ello, y dentro de los coeficientes positivos (que en un principio apuntaban

a termalizar el sistema), hemos probado una segunda dependencia con las condiciones

iniciales al considerar la sigma, ya que cuanto mayor es esta, más se desplaza el

equilibrio (este es mayor), aunque, esta consideración hubiera sido predecible, ya que

cuanto mayor es sigma, más deslocalizado está nuestro sistema y es lógico que el

promedio estadístico no funcione, por considerar que solo unos pocos autoestados con

energía próxima a la condición inicial contribuyen. Sin embargo para valores razonables

de sigma (Véase Tabla 3., para sigma 0.2), el sistema tendría un buen comportamiento

exponencial y un valor del equilibrio bueno (cercano a ).

Por otra parte, el parámetro de energía se ajusta muy bien al decaimiento

exponencial, y los valores del ajuste son muy cercanos entre sí a distintas energías, lo

cual, sea probablemente debido a las características de densidad constante del espectro.

En cuanto a la localidad en la correlación, hace más sensible a no termalizar cuanto

menos local sea el sistema (menor ), lo cual no va a nuestro favor para el sistema que

estudiamos, pero es una directriz para posibles futuros estudios o consideraciones.

Por lo tanto, hemos obtenido en contra de las predicciones del artículo , que

nuestro sistema integrable cuanto menos local (menor es ), más dependencia tiene de

las condiciones iniciales, en concreto no termaliza lo que conlleva a que nuestras

consideraciones no son propias para poder describir nuestro sistema por medio de

parámetros macroscópicos, y por tanto, nos advierte, a la hora de calcular magnitudes

termodinámicas, pues tenemos aquí razones fundadas para sospechar que los

razonamientos típicos de la física estadística no son suficientes para describir bien

nuestro sistema.

Sin embargo, sería conveniente probar un sistema de más partículas y niveles de

cara a acercarnos al límite termodinámico y verificarlo completamente.

De cara a posibles continuaciones del trabajo, incluir una interacción a dos cuerpos

que rompa la integrabilidad del sistema acercaría a una dinámica real de muchos

sistemas cuánticos de muchos cuerpos. E incluso, tratar de incluir degeneraciones de

niveles, que nos aproximen a un modelo cuántico más real.

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7. Bibliografía

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8. Autorización

El abajo firmante, director de un Trabajo Fin de Máster presentado en el Máster de Física

Nuclear de la Facultad de Ciencias Físicas, autoriza a la Universidad Complutense de

Madrid (UCM) a difundir y utilizar con fines académicos, no comerciales y mencionando

expresamente a su autor el presente Trabajo de Fin de Máster: Termalización Y

Localización En Sistemas Fermiónicos De Campo Medio, realizado durante el curso

académico 2011-2012 bajo mi dirección en el Departamento de Física Aplicada I

(Termología), y a la Biblioteca de la UCM a depositarla en el Archivo institucional E-Prints

Complutense con el objeto de incrementar la difusión, uso e impacto del trabajo en Internet

y garantizar su preservación y acceso a largo plazo.

La publicación en abierto tendrá un embargo de:

__ Ninguno

__ Un año

Fdo:_____________________