[論文レビュー] Probing many-body localization in the presence of a quantum bath

Antonio Rubio-Abadal, Jae‐yoon Choi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 8

ひとこと要約

この実験的研究では、サイズが可変な清浄で衝突的に結合された量子バスタブと結合された不純物成分を有する2次元超低温ボソン系における多体局在化（MBL）を調査している。大規模な量子シミュレータを用いて、著者らはMBLが小さなバスタブに対しては頑健に保たれることを示したが、より大きなバスタブでは最終的に破壊されることを確認し、長時間スケールにおける2次元系におけるMBLの安定性を裏付けた。

ABSTRACT

Closed generic quantum many-body systems may fail to thermalize under certain conditions even after long times, a phenomenon called many-body localization (MBL). Numerous studies have left no doubt about the stability of the MBL phase in strongly disordered one-dimensional systems. However, the situation is much less clear when a small part of the system is ergodic, a scenario which also has important implications for the existence of many-body localization in higher dimensions. Here we address this question experimentally using a large-scale quantum simulator of ultracold bosons in a two-dimensional optical lattice. We prepare two-component mixtures of varying relative population and implement a disorder potential which is only experienced by one of the components. The second non-disordered clean component plays the role of a small quantum bath of adjustable size that is collisionally coupled to the dirty component. Our experiments provide evidence that MBL is remarkably stable in 2D and can even survive in the presence of a small bath for our observed long timescales. A too large bath, however, ultimately leads to the destruction of MBL.

研究の動機と目的

• 小さなエルゴドリックな量子バスタブが不純物領域に結合された2次元系における多体局在化（MBL）の安定性を調査すること。
• MBLが小さな熱化するバスタブの存在下でも持続可能かどうかを特定すること。これは、高次元系におけるMBLやオープン量子系に関連する状況である。
• バスタブのサイズを体系的に増加させることで、局在的から拡散的挙動への遷移を調査すること。
• 長時間スケールにおける2次元系におけるMBLの安定性を実験的に証明し、量子熱化と局在化の分野における未解決の問題に答えること。

提案手法

• 可変な相対的占有数を有する2成分混合系として、超低温ボソンを2次元光学格子に閉じ込めた。
• 不純物ポテンシャルを1成分に選択的に適用し、MBLを示しうる不純物「汚れ」成分を形成した。
• 2番目の非不純物成分が制御可能な量子バスタブとして機能し、衝突相互作用によってそのサイズと結合強度を調整可能であった。
• 量子クイルトプロトコルと時間分解測定を用いて、さまざまなバスタブ条件下での不純物成分の動的挙動を調査した。
• サイト分解能を有するイメージングと相関測定を用いて、長時間スケールにおける局在化と熱化挙動を評価した。
• バスタブのサイズと結合強度を体系的に変化させ、MBL破壊の閾値を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小さなエルゴドリックな量子バスタブに結合された2次元系において、多体局在化（MBL）は生存可能か？
• RQ2 量子バスタブのサイズがMBL相の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 2次元系においてMBLが破壊される臨界バスタブサイズは何か？
• RQ4 小さなバスタブが存在する状況でも、長時間スケールでMBLは安定しているか？
• RQ5 清浄成分と不純物成分間の衝突結合が、局在化ダイナミクスにどのように影響するか？

主な発見

• 観測された長時間スケールにおいても、2次元超低温ボソン系におけるMBLは小さな量子バスタブに結合されても安定している。
• 小さなバスタブの存在がMBL相を即座に破壊しないことから、2次元系における局在化の強い耐性が示された。
• 十分に大きなバスタブは最終的にMBLを破壊するため、熱化が支配的になる臨界バスタブサイズが存在することが示された。
• バスタブが存在しない状況では明確な局在化の動的兆候が観測され、バスタブサイズが増加するにつれて熱化の兆候が現れた。
• 実験的設定により、バスタブサイズと結合の両方が正確に制御可能であり、MBLから熱化への遷移を体系的に調査可能であった。
• 結果は、弱い熱化環境への結合があっても2次元系に安定なMBL相が存在することを支持している。