[論文レビュー] Continuous Symmetry Breaking in a Two-dimensional Rydberg Array

Cheng Chen, Guillaume Bornet+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、調整可能な強磁性および反強磁性相互作用を有する双極子XYモデルを実現することで、2次元ラビット原子アレイにおける連続的対称性の破れを示した。単一サイトアドレス指定と断熱的状態準備を用いて、強磁性体では長距離秩序を観測し、反強磁性体ではベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース物理学に一致する代数的減衰を観測した。これは、低次元におけるトポロジカル秩序の安定化に寄与する長距離双極子相互作用の役割を確認するものである。

ABSTRACT

Spontaneous symmetry breaking underlies much of our classification of phases of matter and their associated transitions. The nature of the underlying symmetry being broken determines many of the qualitative properties of the phase; this is illustrated by the case of discrete versus continuous symmetry breaking. Indeed, in contrast to the discrete case, the breaking of a continuous symmetry leads to the emergence of gapless Goldstone modes controlling, for instance, the thermodynamic stability of the ordered phase. Here, we realize a two-dimensional dipolar XY model -- which exhibits a continuous spin-rotational symmetry -- utilizing a programmable Rydberg quantum simulator. We demonstrate the adiabatic preparation of correlated low-temperature states of both the XY ferromagnet and the XY antiferromagnet. In the ferromagnetic case, we characterize the presence of long-range XY order, a feature prohibited in the absence of long-range dipolar interaction. Our exploration of the many-body physics of XY interactions complements recent works utilizing the Rydberg-blockade mechanism to realize Ising-type interactions exhibiting discrete spin rotation symmetry.

研究の動機と目的

• プログラマブルなラビット量子シミュレータを用いて、連続的スピン回転対称性を持つ2次元双極子XYモデルを実現すること。
• 特にメルミン＝ワーグナーの定理の文脈において、長距離双極子相互作用の存在下での長距離秩序の安定性を調査すること。
• 連続的対称性を有する2次元系における真の長距離秩序（強磁性体）と代数的長距離秩序（反強磁性体）の違いを実験的に探ること。
• 量子クエンチプロトコルからの有効温度を補正し、熱的励起に類似した励起に対する磁気秩序の頑健性を評価すること。
• 準備された状態が古典的スピン配置ではなく、真の多体秩序を示す量子もつれ状態であることを確認すること。

提案手法

• 長距離双極子相互作用を有する、最大N=100個の欠陥のない正方形格子のラビット原子アレイを用い、調整可能な強磁性または反強磁性結合を有するXYハミルトニアンをシミュレートした。
• 単一サイトアドレス指定と断熱的ラーピングを用いて、古典的ステガレーテッドスピン配置から低温の多体状態を準備した。
• 空間相関関数を全範囲で測定し、強磁性体では非対角的長距離秩序を検出するとともに、反強磁性体ではべき則減衰を観測した。
• 急激なラビ周波数の変更により部分的クエンチプロトコルを実施し、有限温度効果を模擬し、秩序の安定性を調べた。
• DMRG基底状態およびt-MPSシミュレーションを用いてエネルギー変換により有効温度を補正し、M^z=0セクターにおける熱化を仮定した熱密度行列に従った。
• 数値シミュレーションを用いて、非断熱効果およびパラマグネティック振動を考慮に入れ、予測された磁化減衰および相境界と実験データを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離双極子相互作用を有する2次元ラビットアレイにおいて、メルミン＝ワーグナーの定理にもかかわらず連続的対称性の破れを実現できるか？
• RQ2 長距離相互作用が存在する2次元XY強磁性体において、真の長距離秩序が現れるか？
• RQ3 2次元XY反強磁性体が、ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース物理学に一致する代数的長距離秩序を示すか？
• RQ4 量子クエンチプロトコルからの有効温度が、XY磁気秩序の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 非断熱効果および非熱的平衡化が、クエンチ実験における熱化仮定をどの程度歪めるか？

主な発見

• 強磁性体では相関関数がゆっくりと減衰するため、長距離秩序を示し、2次元系における非対角的長距離秩序が存在することを確認した。これは、短距離相互作用系では禁止される現象である。
• 反強磁性体では相関関数が距離に伴い代数的に減衰し、ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース物理学に一致し、真の長距離秩序の欠如を示している。
• クエンチプロトコルからの有効温度推定値は、特に反強磁性体において、最終的な光シフトδ_fに強く依存しており、δ_f ≈ 0付近で急勾配の等温線を示しており、熱的励起に類似した励起に対する高い感度を示している。
• 両相について計算された磁化プロファイルは、実験と定性的に一致しており、特に反強磁性体において顕著であるが、大きなδ_fおよび小さなδ_qにおいては乖離が生じており、モデル化されていない非熱的効果の存在を示唆している。
• 断熱的準備プロトコルにより、古典的強磁性体または反強磁性体のスピン配置とは明確に異なる量子もつれ状態が成功裏に生成されたことが、相関関数および磁化測定により確認された。
• t-MPSシミュレーションからの有効温度推定値は、特に臨界点に近い反強磁性体において顕著なパラマグネティックラビ振動に起因する振動的挙動を示した。