[論文レビュー] Catching Bethe phantoms and quantum many-body scars: Long-lived spin-helix states in Heisenberg magnets

Paul Niklas Jepsen, Yoo Kyung Lee+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2021

Quantum many-body systems参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、異方性ヘイゼンベルグスピン系において、長期間にわたり持続するスピンヘリス状態が実験的に確認され、『フェイク・ベーテ状態』—有限運動量ではあるがエネルギーがゼロの正確な多体固有状態—の存在が裏付けられた。超低温原子を用いて、波数 Q がフェイク条件 Δ = cos(Qpa) を満たすとき、崩壊率の最小値が観測され、これは非可積分系における量子多体スカラースの関連する安定で熱化しない力学を示している。

ABSTRACT

Exact solutions for quantum many-body systems are rare and provide valuable insight to universal phenomena. Here we show experimentally in anisotropic Heisenberg chains that special helical spin patterns can have very long lifetimes. This finding confirms the recent prediction of phantom Bethe states, exact many-body eigenstates carrying finite momenta yet no energy. We theoretically find analogous stable spin helices in higher dimensions and in other non-integrable systems, where they imply non-thermalizing dynamics associated with quantum many-body scars. We use phantom spin helices to directly measure the interaction anisotropy which has a major contribution from short-range off-site interactions that have not been observed before. Phantom helix states open new opportunities for quantum simulations of spin physics and studies of many-body dynamics.

研究の動機と目的

• 量子スピン鎖における『フェイク・ベーテ状態』—有限運動量ではあるがエネルギーがゼロの正確な固有状態—の実験的検証。
• 非可積分ヘイゼンベルグ模型における異方性と波数の変化に伴うスピンヘリス状態の安定性およびダイナミクスの調査。
• これらの長期間にわたる状態が、接触相互作用系ではこれまで観測されていなかった短距離非局所スピン相互作用を直接プローブとして利用できることの実証。
• フェイク・ヘリス状態の概念を高次元、高スピン系、非立方格子へと一般化し、量子多体スカラースとの関連を示すこと。
• 超低温原子を用いた実験的手順を確立し、これらの状態を実現・測定可能とし、スピン異方性 Δ の直接決定を可能とすること。

提案手法

• スピン交換異方性を調整可能な超低温原子量子シミュレータを用い、制御された波数 Q を持つ横方向スピンヘリス状態を準備した。
• 固定された異方性 Δ に対して波数 Q の関数としてスピンヘリス状態の崩壊ダイナミクスを測定し、Δ = cos(Qpa) を満たす Q = Qp において崩壊率に顕著な最小値が観測された。
• 理論的分析により、フェイク・ヘリス条件を高次元、任意のスピン量子数、非立方格子へと拡張し、非可積分系においても安定性が保たれることを示した。
• 非局所相互作用補正を含む有効スピンハミルトニアンを導出し、フェイク条件が Δ の直接実験的決定を可能にすることを示した。
• リング形状の原子アレイへの実験的拡張を提案し、周期的境界条件およびフェイク・ヘリス状態の長期的安定性を調べることを可能とした。
• 実験的崩壊データから、フェイク条件 Δ = cos(Qpa) を用いてスピン異方性 Δ を抽出し、最近接の非局所相互作用からの強い寄与が明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波数 Q が Δ = cos(Qpa) を満たすスピンヘリス状態は、フェイク・ベーテ状態の存在により、異常な長寿命を示すか？
• RQ2 フェイク・ヘリス状態は非可積分ヘイゼンベルグ模型で実験的に観測可能であり、熱化しないダイナミクスを引き起こすか？
• RQ3 接触相互作用系ではこれまで観測されていなかった短距離非局所相互作用が、スピン異方性 Δ にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 フェイク・ヘリス状態は1次元スピン1/2鎖を超えて、高次元および高スピン系へと一般化可能か？
• RQ5 フェイク・ヘリス状態は、超低温原子量子シミュレータにおける相互作用異方性 Δ の測定に感度の高いプローブとして機能可能か？

主な発見

• フェイク条件 Δ = cos(Qpa) を満たす波数 Q において、スピンヘリス状態の崩壊率に顕著な最小値が観測され、長期間にわたるフェイク・ベーテ状態の存在が裏付けられた。
• 測定された異方性 Δ は、接触相互作用系ではこれまで観測されていなかった最近接の非局所相互作用の影響を強く受けており、これが顕著に現れた。
• 理論的分析により、フェイク・ヘリス状態は高次元ヘイゼンベルグ模型および高スピン量子数においても、非可積分系においても安定であることが確認された。
• これらの長期間にわたる状態は、量子多体スカラースに特徴的な非熱化ダイナミクスを示し、強い相互作用系における弱いエルゴード性破れを実証した。
• フェイク・ヘリス状態は、Δ の直接実験的測定を可能とする手法を提供し、超低温原子プラットフォームにおけるスピン相互作用の高精度な特徴付けを可能にした。
• 結果から、短距離相互作用ですら顕著な非局所スピン結合を生成できることを示唆し、スピン固体相を有する拡張ハーディングモデルを実現する新たな道筋が示された。