[論文レビュー] Observation of discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body system

Soonwon Choi, Joonhee Choi+12 more|RePEc: Research Papers in Economics|Oct 25, 2016

Theoretical and Computational Physics被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、室温下で大規模で不規則なダイポールスピン系であるダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心において、初めて実験的に離散的時間結晶（DTC）秩序の観測を報告した。周期的なマイクロ波駆動を用いて、駆動周期の整数倍の位置で長寿命なサブハーモニックな時間相関を観測し、緩やかな熱化と強い長距離相互作用にもかかわらず、頑健なDTC秩序が持続することを示した。これは、局在化や事前熱化に基づく従来の理論的予想に反するものである。

ABSTRACT

Understanding quantum dynamics away from equilibrium is an outstanding challenge in the modern physical sciences. It is well known that out-of-equilibrium systems can display a rich array of phenomena, ranging from self-organized synchronization to dynamical phase transitions. More recently, advances in the controlled manipulation of isolated many-body systems have enabled detailed studies of non-equilibrium phases in strongly interacting quantum matter. As a particularly striking example, the interplay of periodic driving, disorder, and strong interactions has recently been predicted to result in exotic "time-crystalline" phases, which spontaneously break the discrete time-translation symmetry of the underlying drive. Here, we report the experimental observation of such discrete time-crystalline order in a driven, disordered ensemble of $\sim 10^6$ dipolar spin impurities in diamond at room-temperature. We observe long-lived temporal correlations at integer multiples of the fundamental driving period, experimentally identify the phase boundary and find that the temporal order is protected by strong interactions; this order is remarkably stable against perturbations, even in the presence of slow thermalization. Our work opens the door to exploring dynamical phases of matter and controlling interacting, disordered many-body systems.

研究の動機と目的

• 強い相互作用を示す不規則な多体量子系において、離散的時間結晶（DTC）秩序を実験的に観測すること。
• 局在化や不規則性を精密に調整した系に依存しない環境において、DTC秩序が生成可能かどうかを調査すること。特に、長距離ダイポール相互作用が存在する場合を想定する。
• 緩やかな熱化や環境との結合を伴う現実的な条件下で、DTC秩序の安定性と寿命を調べること。
• DTC秩序が局在化または事前熱化系に限定されるという従来の理論枠組みに挑戦すること。
• このような系が、新しい動的量子相を実現可能とし、量子メトロロジーへの応用可能性を探索すること。

提案手法

• 合成ダイヤモンドから作製されたナノビームに埋め込まれた高密度な窒素空孔（NV）中心スピン不純体のアンサンブル（約10^6）を用いた。
• 変動するパルス幅τ₁およびθパルスを用いたグローバルスピン回転のシーケンス（フロケ周期）により、時間周期的ハミルトニアンを設計した。
• レーザー励起とマイクロ波パルスを用いて、NVスピン状態の光学的初期化、コherentな操作、読み出しを実施した。
• フロケ周期をn回繰り返した後の時間分解スピン極化P(nT)を測定し、駆動周期の整数倍の位置でサブハーモニック応答を検出する。
• スピン極化信号のフーリエスペクトルを分析し、ν = 1/3、1/2、および他の分数に顕著なピークを同定し、DTC秩序を示した。
• 相互作用時間τ₁とパルス角度θを系統的に変化させ、相転移境界をマップし、摂動に対する安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離ダイポール相互作用を有する巨視的で不規則な多体系において、離散的時間結晶秩序を観測可能か？
• RQ2 多体局在化が存在しない状況、特に系が緩やかに熱化する状況において、DTC秩序は安定か？
• RQ3 強い相互作用と不規則性が、摂動および環境結合に対してDTC秩序を安定化させる役割を果たすか？
• RQ4 局在化が予想されない系において、DTC秩序が事前熱化時間スケールを超えて持続可能か？
• RQ5 系の挙動が、局在化または事前熱化フレームワークに基づく理論予測からどのように逸脱するか？

主な発見

• 基本駆動周期の整数倍の位置で長寿命な時間相関が観測され、スピン極化のフーリエスペクトルにν = 1/3に顕著なピークが観測された。
• DTC秩序はスピン緩和時間T₁^ρに制限されるのみであり、デコherenceや摂動に対して極めて安定であることが示された。
• 強い相互作用（τ₁ = 387 ns）の下で、ν = 1/3のDTCピークは17%までの摂動に対してもピン留めされたまま維持され、トポロジカル的保護に類似した性質を示した。
• 観測されたDTC秩序は、多体局在化や事前熱化に基づく従来の理論では説明できず、系は臨界的で準拡散的ダイナミクスを示していた。
• 緩やかな臨界的熱化のため、系は事前熱化状態に到達しなかったことから、現在の理論モデルを超える新しい動的相の出現を示唆した。
• 初期状態のスピン極化に依存しなかったことから、DTC秩序は一時的効果ではなく、安定で集団的な応答であることが示された。