El eco de Loschmidt en sistemas de espines: decoherencia, equilibración, localización y mecanismos emergentes de irreversibilidad

Abstract

Los fenómenos irreversibles son omnipresentes en la naturaleza. En el mundo microscópico, por ejemplo, un exceso de polarización magnética difunde en un sistema de espines interactuantes hasta desparramarse completamente. En esta Tesis estudiamos la dinámica de tal proceso para sistemas abiertos y cerrados. El primer caso corresponde al fenómeno de decoherencia inducida por un ambiente externo, mientras que el segundo engloba dos fenómenos opuestos que pueden ocurrir en sistemas cerrados: la equilibración de observables y la localización de muchos cuerpos. Utilizamos como testigo dinámico al eco de Loschmidt, una magnitud que se define a partir de una reversión temporal imperfecta y que puede evaluarse experimentalmente en resonancia magnética nuclear. Estudiando tal eco y sus escalas de tiempo características, identificamos los mecanismos emergentes que rigen la irreversibilidad en el límite termodinámico.

Irreversible phenomena are ubiquitous in Nature. In the microscopic world, for example, an excess of magnetic polarization diffuses in a system of interacting spins until it spreads all over. In this Thesis we study the dynamics of such a process for open and closed systems. The first case corresponds to the phenomenon of decoherence induced by an external environment, while the second comprises two opposite phenomena that can occur in closed systems: the equilibration of observables and the many-body localization. We use a spin autocorrelation function, the Loschmidt echo, as our main dynamical witness. This magnitude is defined by means of an imperfect time reversal procedure and it can be experimentally evaluated in nuclear magnetic resonance. Studying the Loschmidt echo and its characteristic time scales, leads us to identify the emergent mechanisms governing the irreversibility in the thermodynamic limit.