Onderzoek Michiel Wouters

Abstract

Universaliteit betekent dat sterk uiteenlopende systemen een aantal gelijke eigenschappen hebben. Eén van de best begrepen vormen van universaliteit is die bij tweede-orde faseovergangen, waarbij hetzelfde kritische gedrag voorkomt bij systemen gaande van magneten, superfluïda en vloeistoffen bij het kritische punt. Deze voorbeelden vertonen allen universeel gedrag bij thermisch evenwicht. Systemen uit thermisch evenwicht komen echter ook veelvuldig voor, denk maar aan levende organismen. Universaliteit blijkt ook op te treden voor dergelijke niet-evenwichtssystemen. De Kardar-Parisi-Zhang vergelijking geeft hierbij een effectieve beschrijving van de universele eigenschappen voor een verrassend groot aantal niet-evenwichtssytemen gaande van het grensvlak van een groeiend kristal over de vorm van een bosbrand tot de fluctuatie-eigenschappen van lasers. Dit project is gewijd aan systemen van het laatste type. We zullen een theoretische studie doen van lasers die kleurstofmoleculen bevatten die de fotonen naar thermisch evenwicht brengen. Hun niet-evenwichtskarakter is te wijten aan fotonverliezen, die gecompenseerd worden door een externe pomplaser. Hun afwijking van thermisch evenwicht kan dus experimenteel ingesteld worden, waardoor deze systemen verwacht worden geschikt te zijn voor het onderzoek naar de invloed van thermalisatie op de schaling van de fluctuaties in optische systemen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Wanneer een gas van atomen wordt gekoeld tot het absolute nulpunt, ondergaat het een fase-overgang naar een Bose-Einstein condensaat, een kwantummechanische toestand gekenmerkt door wrijvingsloze stromen ofwel "superfluïditeit". In dit project onderzoeken we wat er met het superfluïdum gebeurt na een plotse verandering of "quench" van parameters zoals de interatomaire interactiesterkte. In het bijzonder wordt gefocust op de manier waarop het condensaat evolueert naar de nieuwe evenwichtstoestand. Verschillende experimentele waarnemingen, zoals het optreden van een pre-thermale stationaire toestand en universele dynamica vormen theoretische uitdagingen, die we trachten op te lossen door correlaties tussen meer dan twee deeltjes in het model op te nemen. Het gedrag van sterk interagerende ultra-koude atomaire gassen is bovendien typerend voor een breed scala aan kwantummechanische veeldeeltjes-systemen, gaande van neutronensterren tot supergeleiders. Het onderzoeksthema heeft daardoor veel toepassingen, en raakt daarenboven aan fundamentele vragen aangaande de rol van thermisch evenwicht in kwantumsystemen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel
• Co-promotor: Tempere Jacques
• Mandaathouder: Fernandes Lennart

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Superfluida vormen een fase van de materie die verschilt van gassen, vloeistoffen en vaste stoffen, waarvan de meest in het oog springende eigenschap de afwezigheid van viscositeit is. Het feit dat er geen wrijving is, is het gevolg van het collectief bewegen van alle deeltjes, analoog aan de fotonen die door een laser uitgezonden worden. Lasers en superfluida vertonen coherentie (van fotonen en atomen respectievelijk), maar een belangrijk verschil is dat de eerste gedreven zijn (bv. door een elektrische stroom), terwijl de laatste in thermisch evenwicht zijn. De noodzaak om lasers te drijven is een direct gevolg van hun nut als coherente bron van fotonen: het uitzenden van fotonen. Recent zijn er diverse onderzoeksactiviteiten opgezet om de brug te slaan tussen beide vormen van coherente materie. Vanuit de fotonische kant zijn er experimenten met fotonen die zeer dicht bij thermisch evenwicht komen door te werken met efficiënte thermalisatiemechanismen en lange levensduur van de fotonen. Vanuit de atomaire kant zijn experimenten uitgevoerd waarbij verliezen geïnduceerd werden door een elektronenstraal en de atomen terug aangevuld werden vanuit een naburige atomaire wolk. Het doel van dit project is een theoretisch model op te stellen voor dergelijke atomaire superfluida uit evenwicht. Gebaseerd op voorgaand werk over fotonische systemen verwachten we dat er een fase-overgang zal zijn tussen normale en coherente fasen en dat hun vortex-eigenschappen beïnvloed zullen zijn door de atomaire verliezen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Variationele principes spelen een centrale rol in ons theoretisch begrip van gesloten kwantumsystemen bij thermisch evenwicht. Voor open, gedreven-dissipatieve systemen zijn variationele technieken minder ontwikkeld. Klassieke voorbeelden van gedreven-dissipatieve systemen gaan van convectie-rollen in hydrodynamica tot elektrische patronen in het hart. Gedurende de laatste jaren heeft vooruitgang in de fabricatie van elektromagnetische resonatoren gekoppeld aan materie-vrijheidsgraden het theoretische onderzoek naar gedreven-dissipatieve kwantumsystemen gestimuleerd. Een belangrijke motivatie voor dit onderzoek is de mogelijkheid om gecorreleerde kwantumtoestanden te creëren, met mogelijke toepassingen in kwantumcomputing en kwantumsimulatie. De theoretische beschrijving van gedreven-dissipatieve systemen kan op twee equivalente manieren aangepakt worden: een master vergelijking voor de dichtheidsmatrix en een kwantumtraject vergelijking voor de golffunctie. Deze twee technieken verhouden zich tot elkaar als de diffusievergelijking tot de Langevin vergelijking in de theorie van de Brownse beweging. Een praktisch voordeel van de kwantumtraject methode is dat ze opgelost kan worden in de Hilbertruimte van toestanden in plaats van de kwadratisch grotere Hilbertruimte van dichtheidsmatrices. Een conceptuele bonus is dat ze de verschillende macroscopische 'Schrödinger kat" superposities kan ontrafelen en zo inzicht geeft in het ontstaan van klassieke configuraties uit een verstrengelde kwantumtoestand. In dit project zullen we variationele benaderingen tot de dynamica van de kwantumtrajecten onderzoeken. Men kan verwachten dat de ontrafelde golffuncties eenvoudiger te vatten zijn met een variationele beschrijving dan de volledige dichtheidsmatrix. Deze verwachting is reeds bevestigd door een eerste studie van de Gutzwiller benadering op een fotonische molecule. Gesterkt door dit succes zullen we een aantal variationele benaderingen uitwerken voor de simulatie van de kwantumtrajecten van een aantal gedreven-dissipatieve kwantumsystemen. Eén van de voordelen van een dergelijke beschrijving is dat ze nog realistisch uitgevoerd kan worden voor grote systemen en in meer dan één dimensie, waar andere numerieke technieken vaak niet meer haalbaar zijn. Toegang tot grote systemen is in het bijzonder belangrijk bij de studie van fase-overgangen, die pas goed gedefinieerd zijn in de thermodynamische limiet. Het belangrijkste doel van dit onderzoeksproject is een nieuwe theoretische tool te ontwikkelen voor de beschrijving van gedreven-dissipatieve systemen. We plannen toepassingen van deze techniek op het beter begrijpen van fase-overgangen, wat tot nieuwe fundamentele inzichten kan leiden in de verschillen en gelijkenissen tussen gedreven-dissipatieve systemen en gesloten systemen in thermisch evenwicht.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel
• Mandaathouder: Huybrechts Dolf

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Exciton-polaritonen zijn quasideeltjes die ontstaan door een coherente koppeling tussen een foton en een exciton -- een gebonden elektron-gat-paar in een halfgeleider. In een microcaviteit kunnen deze deeltjes resonant geëxciteerd worden met een laser, wat maakt dat het systeem op relatief eenvoudige wijze gemanipuleerd kan worden in een bepaalde configuratie. Het doel van dit onderzoek is om deze vrijheid tot manipulatie ten volle uit te buiten, om zo bepaalde typerende kenmerken van zwaartekracht te genereren in het polaritonsysteem. Hierbij zal in essentie onderzocht worden hoe, in dit specifiek systeem, de verandering van een kwantumvacuüm kan leiden tot de creatie van deeltjes. Deze algemene overweging blijkt immers op uiterst intieme wijze verbonden met nijpende fysische problemen zoals Hawkingstraling, entropie van zwarte gaten, inflatie van het vroege universum en zelfs de oorsprong van de mythische kosmologische constante. Zo kunnen de bevindingen uit dit vereenvoudigd analoog model parallel doorgetrokken worden om deze fundamentele vraagstukken beter te begrijpen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel
• Mandaathouder: Van Regemortel Mathias

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Exciton-polaritonen zijn quasideeltjes die ontstaan door een coherente koppeling tussen een foton en een exciton -- een gebonden elektron-gat-paar in een halfgeleider. In een microcaviteit kunnen deze deeltjes resonant geëxciteerd worden met een laser, wat maakt dat het systeem op relatief eenvoudige wijze gemanipuleerd kan worden in een bepaalde configuratie. Het doel van dit onderzoek is om deze vrijheid tot manipulatie ten volle uit te buiten, om zo bepaalde typerende kenmerken van zwaartekracht te genereren in het polaritonsysteem. Hierbij zal in essentie onderzocht worden hoe, in dit specifiek systeem, de verandering van een kwantumvacuüm kan leiden tot de creatie van deeltjes. Deze algemene overweging blijkt immers op uiterst intieme wijze verbonden met nijpende fysische problemen zoals Hawkingstraling, entropie van zwarte gaten, inflatie van het vroege universum en zelfs de oorsprong van de mythische kosmologische constante. Zo kunnen de bevindingen uit dit vereenvoudigd analoog model parallel doorgetrokken worden om deze fundamentele vraagstukken beter te begrijpen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel
• Mandaathouder: Van Regemortel Mathias

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Mijn onderzoek concentreert zich op de uitwerking van analoge modellen van zwaartekracht in exciton-polariton-microcaviteiten. In eerste instantie zal onderzocht worden hoe het analogon van een "cosmologische constante", een van de grootste mysteries uit de moderne fysica, kan geïncorporeerd worden in een polaritonmodel. De bedoeling is om zo de mogelijke oorsprong van deze constante te situeren en enkele concrete experimentele opstellingen te suggereren die dit zouden kunnen verifiëren."

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel
• Mandaathouder: Van Regemortel Mathias

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Dit project betreft fundamenteel kennisgrensverleggend onderzoek gefinancierd door het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek-Vlaanderen. Het project werd betoelaagd na selectie door het bevoegde FWO-expertpanel.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel
• Co-promotor: Misko Vyacheslav

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Dit project betreft fundamenteel kennisgrensverleggend onderzoek gefinancierd door het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek-Vlaanderen. Het project werd betoelaagd na selectie door het bevoegde FWO-expertpanel.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel
• Co-promotor: Tempere Jacques

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Dit project betreft fundamenteel kennisgrensverleggend onderzoek gefinancierd door het FWO-Vlaanderen. Het project werd betoelaagd na selectie door het bevoegde FWO-expertpanel.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het onderwerp van dit onderzoeksproject is de theorie van halfgeleider nanostructuren in het regime van sterke koppeling tussen licht en materie, met als doel het opstellen van theoretische modellen, het verduidelijken van conceptuele vraagstukken en het ontwikkelen van technologische toepassingen. In halfgeleider microcaviteiten leidt sterke koppeling tussen licht en materie tot de zogenaamde polariton kwasi-deeltjes, die een coherente superpositie van exciton en foton zijn. Dankzij hun samengestelde aard combineren deze deeltjes sterke interacties met goede kwantumcoherentie. Deze gunstige eigenschappen hebben geleid tot de eerste observatie van Bose-Einstein condensatie (BEC) in de vaste stof. Het onderzoek naar polaritonen in microcaviteiten is uitgegroeid tot een levendig onderzoeksonderwerp op het kruispunt van halfgeleider fysica, kwantumoptica en kwantumgassen en wordt gekenmerkt door een vruchtbare samenwerking tussen theoretisch en experimenteel onderzoek. Naast hun interesse voor fundamenteel onderzoek hebben polaritonen een groot potentieel voor technologische toepassingen, zoals lasing met een ultralage drempel, de productie van verstrengelde fotonenparen, geminiaturiseerde nietlineaire optische elementen en ultrasnelle optische geheugens. De twee belangrijkste verschillen tussen polaritonen en andere verwezenlijkingen van kwantumontaarde bose gassen zijn hun eindige levensduur en hun interactie met hun vaste-stofomgeving. Deze elementen vormen een grote uitdaging voor hun theoretische beschrijving. Door de eindige levensduur kan het polaritongas geen thermodynamisch evenwicht bereiken. Bijgevolg kan hun toestand niet bepaald worden door het minimizeren van een vrije energie, maar moet de volledige kwantumkinetiek gemodelleerd worden. Hun niet-evenwichtskarakter heeft ook conceptuele gevolgen in verband met de betekenis van superfluïditeit, omdat de standaard behandeling gebaseerd is op thermodynamische argumenten. Wij willen de kwantumkinetiek van polaritonen benaderen met methoden die gebaseerd zijn op kwasi-waarschijnlijkheidsverdelingen ontwikkeld in kwantumoptica. Deze waarschijnlijkheidsdichtheden kunnen gemonsterd worden met Monte Carlo technieken. Zulke methoden heb ik in de voorbije jaren ontwikkeld en geïmplementeerd, maar deze eerste studies bevatten drastische benaderingen. Het doel van dit onderzoeksproject is verder te gaan en een volledig model van de kinetiek van een polaritongas dat met zijn omgeving interageert op te stellen. De toepassingen van het theoretische model zullen onder andere de volgende zijn: een kwantitative analyse van de ruimtelijke coherentie, dichtheidsfluctuaties, de dynamica van de vorming van de coherentie, de vorm van een condensaat in een periodieke potentiaal en de polarizatietoestand van het polaritongas. Bovendien zullen we toepassingen van ons formalisme zoeken in andere fysische systemen. Een veelbelovend voorbeeld is een nanocaviteit met een ingebedde kwantumdoos, waarin recent de controversiële waarneming van lasing in het regime van sterke koppeling gerapporteerd is. Als laatste element van dit onderzoeksproject wil ik de analyse van superfluïditeit aanstippen. Ons model zal alle ingrediënten bevatten om een microscopische berekening van de superfluïde fractie te maken. Deze berekening is belangrijk omdat het polaritongas in een microcaviteit tweedimensionaal is:vanuit de analogie met het tweedimensionale bose gas bij thermodynamisch evenwicht wordt verwahct dat de fase-overgang van de incoherent naar de coherente toestand van het Berezinskii-Kosterlitz-Thouless type is. Deze exotische fase-overgang wordt gekarakteriseerd door een sprong in de superfluïde fractie. Ten slotte denken we voor technologische toepassingen in de richting van de polarizatie-dynamica, die recent benut is voor het realizeren van een ultrasnel optisch geheugenelement.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Wouters Michiel

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Onderzoeker(s)

• Promotor: Brosens Fons
• Mandaathouder: Wouters Michiel

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

In de TFVS werd een model ontwikkeld om een systeem van N harmonisch interagerende identieke deeltjes (fermionen zowel als bosonen), opgesloten binnen een parabolische potentiaal en al dan niet onderhevig aan harmonische interacties of uitwendige magneetvelden, op analytische wijze te beschrijven. In het voorliggend project zullen we met deze theorie het effect van de wisselwerking tussen deeltjes met verschillende spin bestuderen. Deze studie levert het nulde-orde systeem dat zal dienen om via perturbatieve en variationele methoden meer realistische systemen te behandelen zoals quantumstippen, mesoscopische structuren en supergeleidende clusters. In een eerste stadium van het project bestuderen we de thermodynamica en de statische correlatiefuncties van een systeem van ongepolarizeerde fermionen. Het tweede stadium van het project is gericht op het nader onderzoeken van een systeem van niet-gepolarizeerde fermionen in wisselwerking met een fononenbad. Om tot een beschrijving van meer realistische systemen te komen, zullen we in een derde fase ook rekening houden met de invloed van niet-parabolische opsluitingspotentialen en van de Coulombinteractie tussen de deeltjes die niet meer analytisch beschreven kunnen worden. Hiertoe zullen we gebruik maken van variationele methoden, met name de ongelijkheid van Jensen-Feynman.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Brosens Fons
• Co-promotor: Devreese Jozef
• Mandaathouder: Wouters Michiel

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van kwantumsystemen en complexe systemen

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

In de TFVS werd een model ontwikkeld om een systeem van N harmonisch interagerende identieke deeltjes (fermionen zowel als bosonen), opgesloten binnen een parabolische potentiaal en al dan niet onderhevig aan harmonische interacties of uitwendige magneetvelden, op analytische wijze te beschrijven. In het voorliggend project zullen we met deze theorie het effect van de wisselwerking tussen deeltjes met verschillende spin bestuderen. Deze studie levert het nulde-orde systeem dat zal dienen om via perturbatieve en variationele methoden meer realistische systemen te behandelen zoals quantumstippen, mesoscopische structuren en supergeleidende clusters. In een eerste stadium van het project bestuderen we de thermodynamica en de statische correlatiefuncties van een systeem van ongepolarizeerde fermionen. Het tweede stadium van het project is gericht op het nader onderzoeken van een systeem van niet-gepolarizeerde fermionen in wisselwerking met een fononenbad. Om tot een beschrijving van meer realistische systemen te komen, zullen we in een derde fase ook rekening houden met de invloed van niet-parabolische opsluitingspotentialen en van de Coulombinteractie tussen de deeltjes die niet meer analytisch beschreven kunnen worden. Hiertoe zullen we gebruik maken van variationele methoden, met name de ongelijkheid van Jensen-Feynman.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Devreese Jozef
• Mandaathouder: Wouters Michiel

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject