Een raamwerk van statistische fysica kan worden uitgebreid tot de niet-evenwichtssituatie om voorheen niet-geïdentificeerde fasen van materie te ontdekken die worden gekatalyseerd door periodieke aandrijving. Wetenschappers streven ernaar de op hol geslagen verwarming te verminderen die gepaard gaat met het aansturen van een sterk interactief kwantumsysteem om nieuw ontdekte fasen te onderzoeken.

In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op Wetenschap , A. Kyprianidis en een interdisciplinair onderzoeksteam in de VS gebruikten een kwantumsimulator om handtekeningen van een niet-evenwichtsgestuurde fase zonder wanorde te observeren om een ​​prethermisch discreet tijdkristal te vormen. De wetenschappers hebben het verwarmingsprobleem overwonnen door hoogfrequent rijden te gebruiken om een ​​uitgebreid tijdvenster te vormen waarin niet-evenwichtsfasen zich voordoen. Het team presenteerde Floquet-prethermalisatie als een algemene strategie om, stabiliseren en bestuderen intrinsiek niet-evenwichtsfasen van materie.

Periodiek rijden

Periodieke aansturing of modulatie van een systeem is een veelzijdige methode die het ontstaan ​​van fenomenen mogelijk maakt variërend van parametrische synchronisatie tot dynamische stabilisatie. De methode is stabiel en onmisbaar in velden van nucleaire magnetische resonantiespectroscopie tot kwantuminformatieverwerking. Op een meer fundamenteel niveau, de periodieke Floquet-aandrijving biedt ook een systeem met een discrete tijdtranslationele symmetrie, waar de symmetrie kan worden gebruikt om nieuw ontdekte Floquet-topologische fasen te beschermen of om tijdkristallijne orde te vormen.

Om Floquet-fasen van materie met meerdere lichamen te realiseren, wetenschappers moeten ervoor zorgen dat het omringende systeem geen energie van het aandrijfveld opneemt. In aanwezigheid van een periodieke aandrijving, Floquet-verwarming kan ertoe leiden dat een generiek veellichamensysteem de niet-triviale orde nadert, die wordt gevolgd door het karakteriseren van een fase van materie om stabiel gedrag te vormen. conventioneel, wetenschappers kunnen het proces om Floquet-opwarming te voorkomen aanpakken door gebruik te maken van de sterke wanorde in de experimentele opstelling, op een andere manier, ze kunnen een wanordevrij raamwerk gebruiken om deze uitdagingen aan te pakken door middel van Floquet-prethermalisatie. Aanvullende symmetrieën die worden beschermd door de discrete tijd-translationele symmetrie van de aandrijving kunnen ontstaan ​​en leiden tot intrinsiek niet-evenwichtsfasen van materie. Een voorbeeld van zo'n fase is het pre-thermische discrete tijdkristal (PDTC), waar het veellichamensysteem kan leiden tot de ontwikkeling van een robuuste subharmonische respons. Als resultaat, een wanordevrij prethermisch discreet tijdkristal vertoonde een aantal discrete belangrijke verschillen in vergelijking met het discrete tijdkristal van het veellichamensysteem.

Kyprianidis et al. onderzocht de spin-spin-interacties op lange afstand van een kwantumsimulator om de handtekeningen van een eendimensionaal prethermisch discreet tijdkristal te observeren. De wetenschappers bereidden eerst een verscheidenheid aan lokaal inhomogene begintoestanden voor door ionen individueel aan te pakken binnen de eendimensionale keten. Vervolgens karakteriseerden ze de uitdovingsdynamiek vanuit deze toestanden om de benadering van de prethermische toestand voor de experimentele extractie van de prethermische equilibratietijd direct te observeren. Het team heeft ook de tijddynamiek van de energiedichtheid gemeten als een functie van de rijfrequentie en heeft toestanden aan de onder- en bovenkant van het spectrum voorbereid om de energiedynamiek van de experimentele opstelling te observeren. De verwarmingstijdschaal nam toe met de rijfrequentie en het team onderzocht de aard van de prethermische tijdkristallijne orde door de Floquet-dynamiek van verschillende initiële evenwichts- en symmetrietoestanden te bestuderen. Tijdens verdere experimenten, Kyprianidis et al. identificeerde de fasegrens voor de PDTC (prethermisch discreet tijdkristal) door de levensduur van de tijdkristallijne orde te observeren als een functie van de energiedichtheid van de begintoestand.

Tijd-kristallijne orde

In de proefopstelling is een cruciaal kenmerk van de effectieve prethermische Hamiltoniaan (H _eff ) van het systeem zorgde voor lange-afstands Ising-interacties om een ​​ferromagnetische fase te stabiliseren. Vanwege de antiferromagnetische aard van de interacties, de fase trad niet op bij lage energiedichtheid dichtbij de onderkant van het spectrum, maar trad op bij hoge energiedichtheid dichtbij de bovenkant van het spectrum. De wetenschappers toonden de frequentieafhankelijkheid van de verwarmingstijdschaal en het vermogen om de levensduur van het prethermische tijdkristal te bepalen. Het belangrijkste ingrediënt dat ten grondslag lag aan de tijdkristallijne orde was de aanwezigheid van een opkomende symmetrie als een direct gevolg van het periodieke rijprotocol. Tijdens het experiment, de symmetrie kwam overeen met een globale spin-flip, om te suggereren dat tijdkristallijne orde van nature wordt vergemakkelijkt door de magnetisatiedynamiek van de experimentele opstelling. Als resultaat, er zijn twee mogelijkheden voor de prethermische dynamiek, afhankelijk van de energiedichtheid van het systeem. Bijvoorbeeld, als de prethermische toestand overeenkwam met de symmetrie-respecterende paramagneet, de magnetisatie kan gedurende een periode onveranderd blijven. Als de prethermische toestand overeenkwam met een andere ferromagneet, de magnetisatie kan wisselen. De resulterende subharmonische dynamiek vormt het kenmerk van een tijdkristal. De onderzoekers onderzochten de twee regimes door de autocorrelatie van magnetisatie te meten. Door twee extra begintoestanden te beschouwen, ze onderzochten de stabiliteit van de PDTC-fase als een functie van de energiedichtheid.

Outlook

Op deze manier, Kyprianidis et al. beschreef zowel de verwarmingstijd als de levensduur van de tijd-kristallijne orde. De resultaten zijn consistent met een fasegrens die optreedt bij energiedichtheid in overeenstemming met numerieke berekeningen van kwantum Monte Carlo. Het team beschreef de experimentele observatie van robuust prethermisch tijdkristallijn gedrag dat voortduurde na de vroege voorbijgaande dynamiek. Zelfs in aanwezigheid van lawaai, de prethermische dynamiek bleef stabiel om te suggereren dat een extern bad bij voldoende lage temperaturen de prethermische dynamiek oneindig lang kan stabiliseren. Dit in tegenstelling tot op lokalisatie gebaseerde benaderingen die worden gebruikt om Floquet-fasen te stabiliseren. De uitkomsten van dit onderzoek wijzen op een aantal toekomstige richtingen, inclusief het verkennen van de veralgemening van Floquet-prethermalisatie, het stabiliseren van Floquet topologische fasen en het benutten van niet-evenwichtige veellichamendynamica voor metrologie.

© 2021 Science X Network