Ett ramverk för statistisk fysik kan utvidgas till inställningen för obalans för att upptäcka tidigare oidentifierade faser av materia som katalyseras av periodisk körning. Forskare strävar efter att minska den skenande uppvärmningen i samband med att driva ett starkt interagerande kvantsystem för att undersöka nyupptäckta faser.

I en ny studie nu publicerad på Vetenskap , A. Kyprianidis och ett tvärvetenskapligt forskarlag i USA använde en kvantsimulator för att observera signaturer av en icke-jämviktsdriven fas utan störningar för att bilda en pretermisk diskret tidskristall. Forskarna övervann uppvärmningsproblemet genom att använda högfrekvent körning för att bilda ett expansivt tidsfönster för icke-jämviktsfaser att uppstå. Teamet presenterade Floquet förvärmning som en allmän strategi för att skapa, stabilisera och studera faser av materia som inte är i jämvikt.

Periodisk körning

Periodisk körning eller modulering av ett system är en mångsidig metod som tillåter uppkomsten av fenomen som sträcker sig från parametrisk synkronisering till dynamisk stabilisering. Metoden är stabil och bas i fält från kärnmagnetisk resonansspektroskopi till kvantinformationsbehandling. På en mer grundläggande nivå, den periodiska Floquet-drivningen ger också ett system med en diskret tidstranslationssymmetri, där symmetrin kan användas för att skydda nyupptäckta Floquet-topologiska faser eller bilda tidskristallin ordning.

För att realisera många kroppsfloquet-faser av materia, forskarna måste se till att det omgivande systemet inte absorberar energi från körfältet. I närvaro av en periodisk drift, Floquet-uppvärmning kan få ett generiskt system med många kroppar att närma sig icke-privat ordning, vilket följs av att karaktärisera en fas av materia för att bilda ett steady-state beteende. Konventionellt, forskare kan ta itu med processen för att förhindra Floquet-uppvärmning genom att använda den starka störningen i experimentupplägget, på en annan metod, de kan använda ett ramfritt ramverk för att hantera dessa utmaningar genom Floquet förvärmning. Ytterligare symmetrier som skyddas av enhetens diskreta tidstranslationella symmetri kan dyka upp och leda till materiella faser som inte är i jämvikt. Ett exempel på en sådan fas är den pretermiska diskreta tidskristallen (PDTC) där mångakroppssystemet kan leda till utvecklingen av en robust subharmonisk respons. Som ett resultat, en störningsfri pretermisk diskret tidskristall visade ett antal diskreta nyckelskillnader jämfört med den diskreta tidskristallen med många kroppar.

Kyprianidis et al. utforskade de långväga spin-spin-interaktionerna hos en kvantsimulator för att observera signaturerna för en endimensionell pretermisk diskret tidskristall. Forskarna förberedde först en mängd lokalt inhomogena initiala tillstånd genom att individuellt adressera joner inom den endimensionella kedjan. De karakteriserade sedan släckdynamiken med utgångspunkt från dessa tillstånd för att direkt observera tillvägagångssättet för det pretermala tillståndet för experimentell extraktion av den pretermiska ekvilibreringstiden. Teamet mätte också tidsdynamiken för energitätheten som en funktion av drivfrekvensen och förberedde tillstånd nära botten och toppen av spektrumet för att observera energidynamiken i den experimentella inställningen. Uppvärmningstidsskalan ökade med körfrekvensen och teamet undersökte karaktären av den förtermiska tidskristallina ordningen genom att studera Floquet-dynamiken för olika initiala jämviktstillstånd och symmetri. Under ytterligare experiment, Kyprianidis et al. identifierade fasgränsen för PDTC (pre-termisk diskret tidskristall) genom att observera livslängden för den tidskristallina ordningen som en funktion av energitätheten för det initiala tillståndet.

Tidskristallin ordning

I den experimentella inställningen, en avgörande egenskap hos den effektiva pretermiska Hamiltonian (H _eff ) av systemet säkerställde långväga Ising-interaktioner för att stabilisera en ferromagnetisk fas. På grund av den antiferromagnetiska naturen hos interaktionerna, fasen inträffade inte vid låg energitäthet nära botten av spektrumet utan inträffade vid hög energitäthet nära toppen av spektrumet. Forskarna visade frekvensberoendet för uppvärmningstidsskalan och förmågan att bestämma livslängden för den pretermiska tidskristallen. Den viktigaste ingrediensen bakom den tidskristallina ordningen var närvaron av en emergent symmetri som en direkt konsekvens av det periodiska körprotokollet. Under experimentet, symmetrin motsvarade en global snurrflipp, att antyda att tidskristallin ordning naturligt underlättas av magnetiseringsdynamiken i den experimentella uppställningen. Som ett resultat, det finns två möjligheter för förvärmningsdynamiken beroende på systemets energitäthet. Till exempel, om det pretermala tillståndet motsvarade den symmetri-respekterande paramagneten, magnetiseringen kan förbli oförändrad under en period. Om det förtermiska tillståndet motsvarade en annan ferromagnet, magnetiseringen kan växla. Den resulterande subharmoniska dynamiken utgör kännetecknet för en tidskristall. Forskarna undersökte de två regimerna genom att mäta autokorrelationen av magnetisering. Genom att överväga ytterligare två initiala tillstånd, de undersökte stabiliteten i PDTC-fasen som en funktion av energitätheten.

Syn

På det här sättet, Kyprianidis et al. beskrev både uppvärmningstiden och livstiden för den tidskristallina ordningen. Resultaten överensstämmer med en fasgräns som uppträder vid energitäthet i överensstämmelse med numeriska beräkningar från quantum Monte Carlo. Teamet beskrev den experimentella observationen av robust pretermiskt tidskristallint beteende som kvarstod bortom tidig transient dynamik. Även i närvaro av buller, den förtermiska dynamiken förblev stabil för att antyda att ett externt bad vid tillräckligt låga temperaturer kan stabilisera den förtermiska dynamiken under oändligt långa tider. Detta i motsats till lokaliseringsbaserade metoder som används för att stabilisera Floquet-faser. Resultaten av denna forskning pekar på ett antal framtida riktningar, inklusive att utforska generaliseringen av Floquet-förvärmning, stabilisera Floquet topologiska faser och utnyttja icke-jämviktsdynamik för metrologi.

© 2021 Science X Network