[論文レビュー] Nonequilibrium phase transition in a driven-dissipative quantum antiferromagnet

Mona H. Kalthoff, Dante M. Kennes+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

Strong Light-Matter Interactions参考文献 67被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、数値シミュレーションを用いて駆動・散逸系の2次元ヘイゼンベルグ反強磁性体における非平衡相転移を調査する。低駆動時における準位相分布はサブサーマルから、高駆動時における一般化されたボーズ＝アインシュタイン分布に伴うマクロな凝縮状態を示す、質的変化を示す非熱的サブサーマル〜スーパーサーマル転移を特定する。有限サイズ解析により臨界スケーリングと臨界遅れの遅れを示す。

ABSTRACT

A deeper theoretical understanding of driven-dissipative interacting systems and their nonequilibrium phase transitions is essential both to advance our fundamental physics understanding and to harness technological opportunities arising from optically controlled quantum many-body states. This paper provides a numerical study of dynamical phases and the transitions between them in the nonequilibrium steady state of the prototypical two-dimensional Heisenberg antiferromagnet with drive and dissipation. We demonstrate a nonthermal transition that is characterized by a qualitative change in the magnon distribution, from subthermal at low drive to a generalized Bose-Einstein form including a nonvanishing condensate fraction at high drive. A finite-size analysis reveals static and dynamical critical scaling at the transition, with a discontinuous slope of the magnon number versus driving field strength and critical slowing down at the transition point. Implications for experiments on quantum materials and polariton condensates are discussed.

研究の動機と目的

• 駆動・散逸系の量子多体系、特に量子スピン系における非平衡相転移の理解を図ること。
• 平衡状態とは異なった励起分布を示す非熱的安定状態の出現を調査すること。
• 対称性の破れとは異なる、新たなサブサーマル〜スーパーサーマル転移を特徴づけること。
• 有限サイズ解析を用いて転移点における臨界スケーリング行動と動的兆候を確立すること。
• 量子材料およびポラリトン凝縮体における実験的観測の解釈のための微視的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 非平衡動的平均場理論を用いた、駆動・散逸系の2次元ヘイゼンベルグ反強磁性体の数値的シミュレーション。
• 散乱過程の効率的計算を可能にするために、運動量空間を等間隔のエネルギーbinにマッピング。
• エネルギーに応じて運動量をビニングし、エネルギーおよび運動量保存を満たす運動量四重項の特定。詳細バランスを満たすために対称化処理を実施。
• マクロな励起関数の時間発展を積分するために、2段階アダムス・バシフォース線形多段法を用いる。
• 粒子数およびエネルギー保存を保つために、対称化された相互作用頂点を用いて頂点補正および散乱積分を計算。
• 有限サイズスケーリング解析により、転移点における静的および動的臨界指数を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動・散逸系の量子反強磁性体において、平衡状態の対称性の破れとは異なる非平衡相転移が存在するか？
• RQ2 駆動強度を増加させると、マクロな励起関数の分布はどのようにサブサーマルからスーパーサーマルに変化するか？
• RQ3 転移に伴う臨界スケーリング行動（静的および動的）は何か？
• RQ4 非熱的励起分布のおかげで、非平衡定常状態にマクロな凝縮分率が出現するか？
• RQ5 駆動からのエネルギーの流れとレザボワへのエネルギー輸送が、定常状態の相図の性質にどのように寄与するか？

主な発見

• 非熱的サブサーマル〜スーパーサーマル転移が特定され、臨界点における励起数と駆動強度の勾配が不連続であることが判明。
• 高駆動時、マクロな励起関数は一般化されたボーズ＝アインシュタイン分布を示し、非ゼロの凝縮分率を示しており、マクロな量子干渉を示唆。
• 有限サイズ解析により、臨界点で相関長が発散する静的臨界スケーリングと、動的臨界遅れの遅れが確認された。
• g = 1, 1/S = 0 における転移点は、相図における臨界終点であり、サブサーマルとスーパーサーマル領域の境界を示している。
• 系は臨界遅れを示しており、臨界点付近で緩和時間が急激に増加することが確認され、臨界力学の存在が裏付けられた。
• 相図には、秩序相と無秩序サブサーマル相を分ける臨界線が存在し、g = 1, 1/S = 0 における臨界終点は2次元ヘイゼンベルグ反強磁性体に特有の特徴である。