[論文レビュー] Signatures of bath-induced quantum avalanches in a many-body--localized system

Julian Léonard, Sooshin Kim+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、可調式の熱浴に結合させた多体局在化（MBL）系において、実験的にバスタイム誘発量子アバランチを示した。冷原子量子シミュレータを用いたサイト別測定により、MBL領域への加速された粒子輸送、サイトごとの熱化、および非局所的多体相関—これらは非摂動的多体力学によって駆動される量子アバランチの主要な特徴である。

ABSTRACT

Strongly correlated systems can exhibit surprising phenomena when brought in a state far from equilibrium. A spectacular example are quantum avalanches, that have been predicted to run through a many-body--localized system and delocalize it. Quantum avalanches occur when the system is locally coupled to a small thermal inclusion that acts as a bath. Here we realize an interface between a many-body--localized system and a thermal inclusion of variable size, and study its dynamics. We find evidence for accelerated transport into the localized region, signature of a quantum avalanche. By measuring the site-resolved entropy we monitor how the avalanche travels through the localized system and thermalizes it site by site. Furthermore, we isolate the bath-induced dynamics by evaluating multipoint correlations between the bath and the system. Our results have fundamental implications on the robustness of many-body--localized systems and their critical behavior.

研究の動機と目的

• 可変なサイズの熱浴に結合された多体局在化系のダイナミクスを調査すること。
• バスタイム結合によって引き 触発される非摂動的で脱局在化するプロセスである量子アバランチの出現を解明すること。
• 局所化領域へのサイト別熱化および輸送ダイナミクスを特徴付けること。
• アバランチ伝播を駆動する非局所的もつれを示す、バスタイム誘発多体相関を分離すること。
• 量子アバランチが開始され、加速され、MBL系を熱化させる条件を特定すること。

提案手法

• サイト別に分解能を持つ不純物ポテンシャルと可調式のクリーン（熱的）領域を有する2次元光学格子で1次元Mott絶縁体を実現した。
• 全系にわたってトンネルを即座に有効化することで、量子クイックを実行し、非平衡ダイナミクスを開始した。
• 蛍光像像法を用いてサイト別原子数分布を測定し、粒子あたりの局所的エントロピーを抽出した。
• 密度相関の崩壊長 ξd を用いて粒子輸送を定量し、時間的およびバスタイムサイズ依存性を追跡した。
• 3点相関関数 ⟨n_i n_j n_k⟩_c を測定し、バスタイムと局在化サイト間の非局所的もつれを検出した。
• 自由パrameterのない正確な数値シミュレーションと実験データを比較し、アバランチの特徴を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱浴のサイズがMBL系における量子アバランチの発生および伝播にどのように影響するか？
• RQ2 局在化領域における加速された粒子輸送およびサイトごとの熱化の兆候は何か？
• RQ3 フェルミの黄金律を越える非局所的多体相関は、アバランチダイナミクスをどの程度駆動するか？
• RQ4 局在化長およびバスタイム誘発緩和率は、系サイズおよび不純度強度とどのようにスケーリングするか？
• RQ5 どの不純度強度で量子アバランチが最大となり、これはMBL転移の臨界点とどのように関係するか？

主な発見

• 密度相関の崩壊長 ξd は時間経過とともに増加し、対数的増加から加速的増加への遷移を示し、アバランチダイナミクスを示している。
• L_clean = 6 の場合、100τ 経過後の ξd は、孤立したMBL系の局在化長を上回り、アバランチの発生を確認した。
• サイト別エントロピー測定により、不純度のあるサイトでの熱化が遅延しており、界面からの距離が増すほど指数的遅延が増加することが分かった。
• 3点相関関数 ⟨n_i n_j n_dis⟩_c はクリーン領域全体で一様であったため、集団的脱局在化がMBL相へ進行していることが示された。
• ⟨n_i n_j n_clean⟩_c は界面に近い不純度サイトでピークを示し、遠く離れたサイトでは消滅したため、局在化されたアバランチ伝播が示された。
• 中程度の不純度強度で最大の多体相関が観測され、これは予想されるMBL転移の臨界点付近に一致した。