[論文レビュー] Spin-charge separation in strongly interacting multicomponent few-body systems

R. E. Barfknecht, Angela Foerster+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、急激なトラップ幾何学的変化下における少数体強い相互作用フェルミオン系におけるスピン・チャージ分離を調査する。SU(N)対称モデルを用いて、小さな系でさえもスピンと密度のダイナミクスが分離することを示し、完全にバランスの取れたN成分系ではスピン励起が消えることを明らかにした。これは1次元量子臨界性の少数体アナログを示している。

ABSTRACT

The decoupling of spin and density dynamics is a remarkable feature of quantum one-dimensional many-body systems. In a few-body regime, however, little is known about this phenomenon. To address this problem, we study the time evolution of a small system of strongly interacting fermions after a sudden change in the trapping geometry. We show that, even at the few-body level, the excitation spectrum of this system presents separate signatures of spin and density dynamics. Moreover, we describe the effect of considering additional internal states with SU(N) symmetry, which ultimately leads to the vanishing of spin excitations in a completely balanced system.

研究の動機と目的

• 無限大系と比較して理解がまだ十分でない少数体量子系におけるスピン・チャージ分離を調査すること。
• 強い相互作用とSU(N)対称性が、小さなフェルミオン系におけるスピンおよび密度自由度の分離に与える影響を調査すること。
• トラップ幾何学のクイエンチ後、励起スペクトルにスピン・チャージ分離の兆候が現れるかどうかを特定すること。
• 粒子のバランスと内部自由度が、多成分系におけるスピン励起の抑制に果たす役割を分析すること。

提案手法

• 正確な対角化技術を用いて、SU(N)対称性を持つ少数体フェルミオン系をモデル化する。
• 急激にトラップポテンシャルを変更することでクイエンチプロトコルを適用し、非平衡ダイナミクスを誘発する。
• スピンおよび密度の密度-密度相関関数の時間発展を解析し、明確な動的特徴を抽出する。
• 励起スペクトルを用いて、スピンおよびチャージ自由度からの寄与を別々に特定する。
• Nを増加させた系への拡張を図り、完全な粒子バランスの極限を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マクロな相分離が見られないにもかかわらず、少数体系でスピン・チャージ分離が観測可能か？
• RQ2 SU(N)対称相互作用が、小さなフェルミオン系における分離したスピンおよびチャージダイナミクスの出現に与える影響は何か？
• RQ3 すべてのN内部状態に等しい粒子数が分布する完全にバランスの取れたSU(N)系では、スピン励起はどのように変化するか？
• RQ4 クイエンチ誘発ダイナミクスが、少数体量子系における明確なスピンおよび密度応答をどれほど露わにするか？

主な発見

• クイエンチ後の励起スペクトルには、小さな系でさえも、スピンと密度のダイナミクスの明確で独立した特徴が現れる。
• スピンおよび密度自由度は独立に進化しており、少数体スケールでも強固な分離メカニズムが成立していることが示唆される。
• すべてのN状態に等しい人口が分布する完全にバランスの取れたSU(N)系では、対称性保護によりスピン励起が消える。
• 系はその小さなサイズにもかかわらず、1次元量子臨界性に類似した振る舞いを示す。