Asymmetric transport in dissipation-driven quantum systems

01.10.2021 - 30.09.2023
Research funding project

Transport is a ubiquitous phenomenon in physics with broad relevance for technological application. Usually, the direction of flow is imposed by external potentials, and dissipation has adversarial effects. In this project, we consider a different paradigm, in which dissipation is no longer a limitation, but the essential driving force for transport. In particular, directed dissipation can be used to establish a unidirectional flow, which is interesting both from a fundamental perspective and for applications such as rectification or directional amplification. Many previous works have treated dissipation by introducing nonHermitian Hamiltonians. However, this is an approximation, valid only in the classical regime. A consistent quantum description requires us to consider a full Lindblad master equation with jump operators. In this quantum regime, the fate of dissipation-induced asymmetric transport is still largely unknown. In this project, we will address the following questions: what is the phenomenology of dissipation‐induced transport at the quantum level? What happens in the presence of non‐linearity or drive which compete with the dissipation? How can these effects be implemented and probed experimentally? We will study asymmetric transport in chains of bosons, fermions, or spins. We will derive master equations, with quantum jumps inducing asymmetric hopping between neighbouring sites. We will consider several combinations of dissipative jumps in 1D and 2D arrays. These equations will be studied using a combination of analytical and numerical techniques, in particular mean‐field and cumulant expansions, semiclassical stochastic simulations, Truncated Wigner Approximation, and Matrix Product Operators. We will then design possible experimental implementations of these models in superconducting circuits platforms, using reservoir engineering techniques. This project lies at the intersection of two very active research domains, quantum optics and quantum transports. In particular, we will use techniques that have been mostly developed for quantum optics scenarios and apply them to study transport in solid-state like, lattice systems. Our results will provide important insights into the relation between non -Hermitian models and their fully quantum mechanical counterparts, a topic that has attracted immense interest in the past years. These will be highly relevant for applications relying on dissipative energy transport at microscopic scales, in particular optical diodes, directional amplifiers, or networks of microscopic thermodynamics machines. 

People

Project leader

Institute

Grant funds

  • FWF - Österr. Wissenschaftsfonds (National) Meitner Programme Austrian Science Fund (FWF)

Research focus

  • Nanoelectronics: 25%
  • Design and Engineering of Quantum Systems: 40%
  • Quantum Many-body Systems Physics: 35%

Publications