[논문 리뷰] Catching Bethe phantoms and quantum many-body scars: Long-lived spin-helix states in Heisenberg magnets

Paul Niklas Jepsen, Yoo Kyung Lee외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 22.

Quantum many-body systems참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비등방성 헤이젠베르크 스핀 자석에서 장수명의 스핀-헤일릭 상태를 실험적으로 입증하며, 유한한 운동량을 가진 에너지가 0인 정확한 many-body 고유상태인 '유령 베티 상태'의 존재를 확인한다. 초냉각 원자를 이용해, 유령 조건 Δ = cos(Qpa)를 만족하는 波수에서 붕괴율의 최소값을 관측함으로써, 열화되지 않는 동역학이 양자 many-body 스크래치와 연결되어 있음을 밝혔다. 이는 비적분 가능한 시스템에서의 현상이다.

ABSTRACT

Exact solutions for quantum many-body systems are rare and provide valuable insight to universal phenomena. Here we show experimentally in anisotropic Heisenberg chains that special helical spin patterns can have very long lifetimes. This finding confirms the recent prediction of phantom Bethe states, exact many-body eigenstates carrying finite momenta yet no energy. We theoretically find analogous stable spin helices in higher dimensions and in other non-integrable systems, where they imply non-thermalizing dynamics associated with quantum many-body scars. We use phantom spin helices to directly measure the interaction anisotropy which has a major contribution from short-range off-site interactions that have not been observed before. Phantom helix states open new opportunities for quantum simulations of spin physics and studies of many-body dynamics.

연구 동기 및 목표

• 양자 스핀 사슬에서 유한한 운동량을 가진 에너지가 0인 정확한 고유상태인 '유령 베티 상태'의 존재를 실험적으로 검증하는 것.
• 비적분 가능한 헤이젠베르크 모델에서 비등방성과 파동수에 따라 변하는 스핀-헤일릭 상태의 안정성과 동역학을 조사하는 것.
• 이러한 장수명 상태가 이전에 접촉 상호작용 시스템에서 관측되지 않은 단거리 비접촉 스핀 상호작용을 측정하는 프로브로 기능할 수 있음을 보여주는 것.
• 유령 헤일릭 상태 개념을 고차원, 고스핀 시스템, 비정방형 격자로 일반화하여 양자 many-body 스크래치와의 관련성을 보여주는 것.
• 초냉각 원자를 이용한 실용적인 실험 프rotocol을 수립하여 이러한 상태를 실현하고 측정함으로써 스핀 비등방성 Δ를 직접 결정하는 것.

제안 방법

• 조절 가능한 초냉각 원자 양자 시뮬레이터를 사용하여 설계된 스핀 교환 비등방성으로, 제어 가능한 파동수 Q를 가진 횡방향 스핀-헤일릭 상태를 준비하였다.
• 고정된 비등방성 Δ에서 파동수 Q에 따른 스핀-헤일릭 상태의 붕괴 동역학을 측정하였으며, Δ = cos(Qpa)를 만족하는 Q = Qp에서 붕괴율의 뚜렷한 최소값을 관측하였다.
• 이론적 분석을 통해 유령 헤일릭 조건을 고차원, 임의의 스핀 양자수, 비정방형 격자로 확장하였으며, 비적분 가능한 시스템에서도 안정성이 유지됨을 보였다.
• 비접촉 상호작용 보정을 포함한 효과적 스핀 하미르토니안을 유도하였으며, 이 조건이 Δ의 직접 실험적 결정을 가능하게 함을 보였다.
• 유령 헤일릭 상태의 장기 안정성과 주기적 경계 조건을 탐색하기 위해 고리형 원자 배열로의 실험적 확장을 제안하였다.
• 실험적 붕괴 데이터에서 유령 조건 Δ = cos(Qpa)를 사용하여 스핀 비등방성 Δ를 추출하였으며, 이는 제일근접 이웃 비접촉 상호작용의 기여가 뚜렷함을 드러냈다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파동수 Q가 Δ = cos(Qpa)를 만족하는 스핀-헤일릭 상태가, 유령 베티 상태 존재로 인해 비정상적으로 장수명인가?
• RQ2 비적분 가능한 헤이젠베르크 모델에서 유령 헤일릭 상태를 실험적으로 관측할 수 있으며, 이는 열화되지 않는 동역학을 유도하는가?
• RQ3 이전에 접촉 상호작용 시스템에서 관측되지 않은 단거리 비접촉 상호작용이 스핀 비등방성 Δ에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 유령 헤일릭 상태는 1차원 스핀-1/2 사슬을 초월해 고차원 및 고스핀 시스템으로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 유령 헤일릭 상태는 초냉각 원자 양자 시뮬레이터에서 상호작용 비등방성 Δ를 측정하는 민감한 프로브로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 유령 조건 Δ = cos(Qpa)를 만족하는 파동수 Q에서 스핀-헤일릭 상태의 붕괴율에 뚜렷한 최소값이 관측되어, 장수명의 유령 베티 상태 존재를 확인하였다.
• 측정된 비등방성 Δ는 이전에 접촉 상호작용 시스템에서 관측되지 않은 제일근접 이웃 비접촉 상호작용의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.
• 이론적 분석을 통해 유령 헤일릭 상태가 고차원 헤이젠베르크 모델과 고스핀 양자수에서도 비적분 가능한 시스템에서 안정성을 유지함을 확인하였다.
• 이러한 장수명 상태는 양자 many-body 스크래치의 특징적인 비열화 동역학을 보이며, 강한 상호작용 시스템에서 약한 에르고딕성 붕괴를 나타낸다.
• 유령 헤일릭 상태는 Δ를 직접 측정할 수 있는 실험적 방법을 제공하여 초냉각 원자 플랫폼에서 스핀 상호작용의 정밀 특성화를 가능하게 한다.
• 결과적으로 짧은 범위의 상호작용조차도 상당한 비접촉 스핀 결합을 생성할 수 있음을 시사하며, 초고체 상을 갖는 확장된 허버드 모델을 실현할 수 있는 새로운 길을 제시한다.