Observation af en prætermisk diskret tidskrystal

En ramme af statistisk fysik kan udvides til ikke-ligevægtsindstillingen for at opdage tidligere uidentificerede faser af stof katalyseret af periodisk kørsel. Forskere sigter mod at reducere den løbske opvarmning forbundet med at drive et stærkt interagerende kvantesystem for at undersøge nyopdagede faser.

I en ny undersøgelse, der nu er offentliggjort på Videnskab , A. Kyprianidis og et tværfagligt forskerhold i USA brugte en kvantesimulator til at observere signaturer af en ikke-ligevægtsdrevet fase uden forstyrrelser for at danne en prætermisk diskret tidskrystal. Forskerne overvandt opvarmningsproblemet ved at bruge højfrekvent kørsel til at danne et ekspansivt tidsvindue for ikke-ligevægtsfaser at dukke op. Holdet præsenterede Floquet fortermisering som en generel strategi til at skabe, stabilisere og studere faser af stof, der er ude af ligevægt.

Periodisk kørsel

Periodisk kørsel eller modulering af et system er en alsidig metode, der tillader fremkomsten af ​​fænomener lige fra parametrisk synkronisering til dynamisk stabilisering. Metoden er stabil og fast i felter fra kernemagnetisk resonansspektroskopi til kvanteinformationsbehandling. På et mere grundlæggende plan, det periodiske Floquet-drev giver også et system med en diskret tidstranslationssymmetri, hvor symmetrien kan bruges til at beskytte nyopdagede Floquet topologiske faser eller danne tidskrystallinsk orden.

At realisere mange-kroppe Floquet faser af stof, forskere skal sikre, at det omgivende system ikke optager energi fra kørefeltet. I nærværelse af en periodisk kørsel, Floquet-opvarmning kan få et generisk mange-kropssystem til at nærme sig ikke-triviel orden, som efterfølges af karakterisering af en fase af stof for at danne steady-state adfærd. Konventionelt, videnskabsmænd kan tage fat på processen for at forhindre Floquet-opvarmning ved at gøre brug af den stærke uorden i forsøgsopstillingen, på en anden måde, de kan bruge en uorden-fri ramme til at løse disse udfordringer gennem Floquet præ-termalisering. Yderligere symmetrier, der er beskyttet af drevets diskrete tidstranslationelle symmetri, kan opstå og føre til iboende ikke-ligevægtsfaser af stof. Et eksempel på en sådan fase er den prætermiske diskrete tidskrystal (PDTC), hvor mange-kropssystemet kan føre til udviklingen af ​​en robust subharmonisk respons. Som resultat, en lidelsesfri prætermisk diskret tidskrystal viste en række diskrete nøgleforskelle sammenlignet med den diskrete tidskrystal med mange kroppe.

Kyprianidis et al. udforskede langdistance-spin-spin-interaktionerne mellem en kvantesimulator for at observere signaturerne af en endimensionel pretermal diskret tidskrystal. Forskerne forberedte først en række lokalt inhomogene begyndelsestilstande ved individuelt at adressere ioner inden for den endimensionelle kæde. De karakteriserede derefter quench-dynamikken startende fra disse tilstande for direkte at observere tilgangen til den prætermiske tilstand for den eksperimentelle ekstraktion af den prætermiske ligevægtstid. Holdet målte også tidsdynamikken af ​​energitætheden som funktion af kørefrekvensen og forberedte tilstande nær bunden og toppen af ​​spektret for at observere energidynamikken i den eksperimentelle opsætning. Opvarmningstidsskalaen steg med kørselsfrekvensen, og holdet undersøgte arten af ​​den prætermiske tidskrystallinske orden ved at studere Floquet-dynamikken for forskellige begyndelsestilstande af ligevægt og symmetri. Under yderligere forsøg, Kyprianidis et al. identificerede fasegrænsen for PDTC (præ-termisk diskret tidskrystal) ved at observere levetiden af ​​den tidskrystallinske orden som funktion af energitætheden af ​​den indledende tilstand.

Tidskrystallinsk orden

I den eksperimentelle opsætning, et afgørende træk ved den effektive prætermiske Hamiltonian (H _eff ) af systemet sikrede langrækkende Ising-interaktioner for at stabilisere en ferromagnetisk fase. På grund af den antiferromagnetiske karakter af interaktionerne, fasen forekom ikke ved lav energitæthed tæt på bunden af ​​spektret, men forekom ved høj energitæthed nær toppen af ​​spektret. Forskerne viste frekvensafhængigheden af ​​opvarmningstidsskalaen og evnen til at bestemme levetiden for den prætermiske tidskrystal. Nøgleingrediensen bag den tidskrystallinske orden var tilstedeværelsen af ​​en emergent symmetri som en direkte konsekvens af den periodiske køreprotokol. Under forsøget, symmetrien svarede til et globalt spin flip, at antyde, at tidskrystallinsk orden er naturligt lettet af magnetiseringsdynamikken i den eksperimentelle opsætning. Som resultat, der er to muligheder for den prætermiske dynamik afhængig af systemets energitæthed. For eksempel, hvis den prætermiske tilstand svarede til den symmetri-respekterende paramagnet, magnetiseringen kan forblive uændret over en periode. Hvis den prætermiske tilstand svarede til en anden ferromagnet, magnetiseringen kan skifte. Den resulterende subharmoniske dynamik danner kendetegnende for en tidskrystal. Forskerne undersøgte de to regimer ved at måle autokorrelationen af ​​magnetisering. Ved at overveje to yderligere begyndelsestilstande, de udforskede stabiliteten af ​​PDTC-fasen som funktion af energitæthed.

Outlook

På denne måde, Kyprianidis et al. beskrev både opvarmningstiden og levetiden for den tidskrystallinske orden. Resultaterne stemmer overens med en fasegrænse, der forekommer ved energitæthed i overensstemmelse med numeriske beregninger fra kvante Monte Carlo. Holdet beskrev den eksperimentelle observation af robust prætermisk tidskrystallinsk adfærd, der varede ud over den tidlige forbigående dynamik. Selv i nærvær af støj, den prætermiske dynamik forblev stabil, hvilket tyder på, at et eksternt bad ved tilstrækkeligt lave temperaturer kan stabilisere den prætermiske dynamik i uendelig lang tid. Dette er i modsætning til lokaliseringsbaserede tilgange, der bruges til at stabilisere Floquet-faser. Resultaterne af denne undersøgelse peger på en række fremtidige retninger, herunder at udforske generaliseringen af ​​Floquet-fortermisering, stabilisering af Floquet-topologiske faser og udnyttelse af ikke-ligevægtsdynamik i mange krop til metrologi.

© 2021 Science X Network