[論文レビュー] Controlling local thermalization dynamics in a Floquet-engineered dipolar ensemble

Leigh S. Martin, Hengyun Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2022

Quantum many-body systems被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、DROID-R2D2パルスシーケンスを用いて、フラーロー工学を施した双極子スピン系における局所的熱化ダイナミクスの制御を実現した。不純度や相互作用に起因する誤差を抑えるために、zフレーム内のパルス間隔を調整し、XXZハミルトニアンを設計した。SU(2)対称性が保たれるヘイゼンベルク点における保存則が、減衰率の低下と相関関数の減衰形状の伸びを引き起こし、これによりコherentなダイナミクスと非ヒドロダイナミクス的緩和の直接的証明が得られた。

ABSTRACT

Understanding the microscopic mechanisms of thermalization in closed quantum systems is among the key challenges in modern quantum many-body physics. We demonstrate a method to probe local thermalization in a large-scale many-body system by exploiting its inherent disorder, and use this to uncover the thermalization mechanisms in a three-dimensional, dipolar-interacting spin system with tunable interactions. Utilizing advanced Hamiltonian engineering techniques to explore a range of spin Hamiltonians, we observe a striking change in the characteristic shape and timescale of local correlation decay as we vary the engineered exchange anisotropy. We show that these observations originate from the system's intrinsic many-body dynamics and reveal the signatures of conservation laws within localized clusters of spins, which do not readily manifest using global probes. Our method provides an exquisite lens into the tunable nature of local thermalization dynamics, and enables detailed studies of scrambling, thermalization and hydrodynamics in strongly-interacting quantum systems.

研究の動機と目的

• 不純度のある双極子スピン系における局所的熱化ダイナミクスを、フラーロー工学を用いて制御すること。
• 高度なパルスシーケンス設計により、多体スピンダイナミクスにおける不純度および相互作用に起因する誤差を低減すること。
• XXZ異方性パラメータを調整することで、保存則とコherentな相互作用が非平衡緩和に与える影響を解明すること。
• 実験的相関関数と数値シミュレーションを用いて、局所的熱化の理論的モデルを検証すること。
• ヘイゼンベルク点におけるSU(2)対称性が、減衰ダイナミクスに特徴的な、測定可能なシグネチャーをもたらすことを示すこと。

提案手法

• ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）センター集合において、DROID-R2D2フラーロー・パルスシーケンスを用いて、目的のXXZハミルトニアンを設計した。
• 12 GS/sの任意波形発生器を用いて、x、y、z軸まわりの正確なπ/2およびπパルスを印加し、シーケンスを実装した。
• 総フロケ周期を1702 nsに固定した状態で、zフレーム内でのパルス間隔を2–70 nsの範囲で調整することで、XXZハミルトニアンをエンジニアリングした。
• 急速なデコherenceを克服するため、相関関数をフロケ周期の分数単位でサブサンプリングした。
• スピン相関関数を正確に抽出するために、分散補正と正規化を施した量子状態トモグラフィーを実施した。
• 解析的計算とクラスターダイナミカル平均場理論（cDMFT）を用いて、ペアスピンダイナミクスをモデル化し、実験データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XXZ異方性パラメータを調整することで、不純度のある双極子スピン系における局所的熱化ダイナミクスにどのような影響を与えるか？
• RQ2 保存則、特にSU(2)対称性が、スピン相関の減衰形に果たす役割は何か？
• RQ3 コherentな相互作用と非ヒドロダイナミクス的緩和を、平均場的挙動と区別して実験的に観測できるか？
• RQ4 強い不純度が存在する状況下で、マグニス展開の高次項がハミルトニアン工学の正確性に与える影響は何か？
• RQ5 アノソトロープ・サッケド＝ヤー・モデルやcDMFTといった最小限のモデルが、観測された実験的ダイナミクスをどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• DROID-R2D2シーケンスにより、一次の不純度および相互作用に起因するアーチファクトが著しく抑制され、XXZハミルトニアンの高精度なエンジニアリングが達成された。
• ヘイゼンベルク点（XXZ異方性パラメータg_z = g_x）において、スピン相関の減衰率に顕著な谷が観測された。これはSU(2)対称性と関連するX保存則の存在を示唆している。
• ヘイゼンベルク点において、減衰形状に伸びが観測され、ヒドロダイナミクスの欠如と保存則の影響が一貫していることが確認された。
• 数値シミュレーションにより、相図の容易面側では、全体系と局所的緩和の時間スケール比が顕著に減少することが判明し、保存則の役割が裏付けられた。
• ペアスピンダイナミクスの解析的計算から、初期時間における相関の減衰が時間に比例し、F(τ) ≈ (64/(9√3))J|τ|と記述されることを確認した。これはコherentな交換ダイナミクスを裏付ける。
• ダイナミカル平均場理論はヘイゼンベルク点における谷を再現できず、観測された挙動が局所的平均場効果ではなく、非局所的保存則に起因することを強く示唆した。