[論文レビュー] Probing quench dynamics across a quantum phase transition into a 2D Ising antiferromagnet

Elmer Guardado-Sanchez, Peter Brown+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2017

Quantum many-body systems参考文献 68被引用数 54

ひとこと要約

この論文は、欠陥がほぼない Li-6 原子アレイを低位の Rydberg 状態に結合して実現した2D 量子 Ising モデルにおけるクエンチダイナミクスを実験的に研究し、パラメトマ–反鉄磁性転移を横断する突然および遅いクエンチを分析し、NLCEと正確対角化と比較する。

ABSTRACT

Simulating the real-time evolution of quantum spin systems far out of equilibrium poses a major theoretical challenge, especially in more than one dimension. We experimentally explore the dynamics of a two-dimensional Ising spin system with transverse and longitudinal fields as we quench it across a quantum phase transition from a paramagnet to an antiferromagnet. We realize the system with a near unit-occupancy atomic array of over 200 atoms obtained by loading a spin-polarized band insulator of fermionic lithium into an optical lattice and induce short-range interactions by direct excitation to a low-lying Rydberg state. Using site-resolved microscopy, we probe the correlations in the system after a sudden quench from the paramagnetic state and compare our measurements to exact calculations in the regime where it is possible. We achieve many-body states with longer-range antiferromagnetic correlations by implementing a near-adiabatic quench and study the buildup of correlations as we cross the quantum phase transition at different rates.

研究の動機と目的

• 1Dを超える実時間ダイナミクスと平衡状態を超えた量子スピン系の理解を動機づける。
• ほぼ一量子占有を持つ原子アレイに Li-6 原子を用い、Rydberg による最近傍相互作用で2D Ising モデルを実現する。
• 突然および遅いプロトコルを用いて、パラメトマから antiferromagnet への転移を横断するクエンチダイナミクスを調べる。
• サイト分解スピン相関を測定し、最先端の数値手法と比較する。

提案手法

• Li-6 原子を23P Rydberg状態に結合させて実現する横方向および縦方向の場を伴う2D キュー暈Isingモデルを実装する。
• degenerate Li-6 気体からロードされた近単占有の2D格子を用いて95.7%の占有を持つ6サイトの環を作る。
• ハミルトニアン H = Ω sum_i S_i^x + sum_i (I_i − Δ) S_i^z + sum_{i≠j} (V_ij/2) S_i^z S_j^z with V_ij = C6/|r_i−r_j|^6 をモデル化する。
• サイト分解画像からスピン相関 C(r) = 4[⟨S_i^z S_{i+r}^z⟩ − ⟨S_i^z⟩⟨S_{i+r}^z⟩] を抽出する。
• 短時間ダイナミクスを NLCE（11次）および4×4格子上の正確対角化と比較し、C6 と検出スケーリング α をフィットする。
• 長いクエンチを行い、長距離の反鉄磁性相関を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2D Ising 転移を横断するクエンチダイナミクスは最近傍・次最近傍スピン相関にどのように現れるか。
• RQ2 NLCEと正確対角化は、Rydberg結合相互作用を持つ2D系で観測されたダイナミクスをどの程度再現できるか。
• RQ3 クエンチ速度は反鉄磁性相関の構築と範囲にどのような影響を与えるか。
• RQ4 ほぼ断熱に近いランプはより長い範囲の相関を生み出せるか、遅いクエンチに対するデコヒーレンスの制約は何か。

主な発見

• 突然のクエンチでは Δ を変えると最近傍相関の符号が反転する。
• NLCE（11次）と正確対角化は短時間データと一致し、C6/h ≈ −1.1(1) MHz μm^6 および α ≈ 0.89(1)。
• より長いクエンチは次最近傍相関を零交差点とともに現し、12次を超える NLCE の収束を超える難しさを示す。
• 遅いクエンチは長距離の反鉄磁性相関を構築するが、デコヒーレンスが顕著になりピーク相関を低下させる。
• 遅いランプの終盤近くで相関の距離依存性が指数的に減衰し、相関長 ξ はおおよそ 0.74–1.9 a_l の範囲。
• 3×3 サブシステム配置の確率は、 ramp 終盤に向かって反鉄磁状態が最有力となる。