[논문 리뷰] Continuous Symmetry Breaking in a Two-dimensional Rydberg Array

Cheng Chen, Guillaume Bornet외 14명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 26.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 조정 가능한 강한 자성 및 반자성 상호작용을 가진 두 차원 라이드버그 원자 배열에서 다이폴리 XY 모형을 실현함으로써 연속 대칭 깨짐을 보여주었다. 단일 위치 제어 및 단서적 상태 준비를 통해 저온 상태에서 자성체의 장거리 질서와 반자성체에서 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 물리학과 일치하는 대수적 감쇠를 관측하였으며, 이는 저차원에서 위상적 질서를 안정화시키는 장거리 다이폴리 상호작용의 역할을 확인한다.

ABSTRACT

Spontaneous symmetry breaking underlies much of our classification of phases of matter and their associated transitions. The nature of the underlying symmetry being broken determines many of the qualitative properties of the phase; this is illustrated by the case of discrete versus continuous symmetry breaking. Indeed, in contrast to the discrete case, the breaking of a continuous symmetry leads to the emergence of gapless Goldstone modes controlling, for instance, the thermodynamic stability of the ordered phase. Here, we realize a two-dimensional dipolar XY model -- which exhibits a continuous spin-rotational symmetry -- utilizing a programmable Rydberg quantum simulator. We demonstrate the adiabatic preparation of correlated low-temperature states of both the XY ferromagnet and the XY antiferromagnet. In the ferromagnetic case, we characterize the presence of long-range XY order, a feature prohibited in the absence of long-range dipolar interaction. Our exploration of the many-body physics of XY interactions complements recent works utilizing the Rydberg-blockade mechanism to realize Ising-type interactions exhibiting discrete spin rotation symmetry.

연구 동기 및 목표

• 프로그래밍 가능한 라이드버그 양자 시뮬레이터를 사용하여 연속 스핀-회전 대칭을 가진 두 차원 다이폴리 XY 모형을 실현하기.
• 특히 메르민-워거 정리의 맥락에서 장거리 다이폴리 상호작용이 존재하는 조건에서 장거리 질서의 안정성 조사하기.
• 연속 대칭이 있는 2D 시스템에서 진정한 장거리 질서(FM)와 대수적 장거리 질서(AFM)의 차이를 실험적으로 탐색하기.
• 양자 급속 변화 프로토콜에서 효과적 온도를 캘리브레이션하고 열적 특성의 흡수에 의한 자성 질서의 내성 평가하기.
• 준비된 상태가 고전적 스핀 구성이 아니라 양자적으로 얽힌 상태임을 입증하고 진정한 다체 질서를 확인하기.

제안 방법

• 장거리 다이폴리 상호작용을 가진 최대 N=100개의 결함이 없는 정사각형 격자에서, 조절 가능한 강자성 또는 반자성 결합을 가진 XY 해밀토니안을 시뮬레이션하기.
• 단일 위치 제어 및 단서적 램프를 사용하여 고전적 스위치된 스핀 구성에서 저온 다체 상태를 준비하기.
• 공간 전반의 상관 함수를 측정하여 자성체에서 비대칭 장거리 질서와 반자성체에서 거듭제곱 법칙 감쇠를 탐지하기.
• 갑작스럽게 라비 드라이브를 변경하여 부분 급속 프로토콜을 수행하고, 질서 안정성에 영향을 미치는 유한 온도 효과를 탐색하기.
• DMRG 기저 상태와 t-MPS 시뮬레이션을 기반으로 에너지 변환을 통해 효과적 온도를 캘리브레이션하고, M^z=0 영역에서 열역학적 밀도 행렬에 열역학적 평형에 도달한다고 가정하기.
• 수치 시뮬레이션을 통해 비단서적 효과와 반자성 진동을 고려하여 예측된 자화 감쇠 및 상 경계를 실험 데이터와 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 다이폴리 상호작용이 존재하는 두 차원 라이드버그 배열에서, 메르민-워거 정리에도 불구하고 연속 대칭 깨짐을 실현할 수 있는가?
• RQ2 장거리 상호작용이 존재할 경우, XY 자성체는 2D에서 진정한 장거리 질서를 나타내는가?
• RQ3 XY 반자성체는 2D에서 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 물리학과 일치하는 대수적 장거리 질서를 나타내는가?
• RQ4 양자 급속 변화 프로토콜에서 추정된 효과적 온도는 XY 자성 질서의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비단서적 효과와 비열역학적 평형에 의한 왜곡은 급속 실험에서 열역학적 평형 가정을 얼마나 심각하게 훼손하는가?

주요 결과

• 자성체 XY 상태는 상관 함수가 느리게 감쇠하는 방식으로 장거리 질서를 나타내며, 2D에서 비대칭 장거리 질서가 존재함을 확인한다. 이는 단거리 상호작용 시스템에서는 금지된 현상이다.
• 반자성체에서는 상관 함수가 거리에 따라 대수적으로 감쇠되며, Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 물리학과 일치하고 진정한 장거리 질서의 부재를 시사한다.
• 급속 프로토콜에서 추정한 효과적 온도는 특히 반자성체에서 최종 라이트 시프트 δ_f에 매우 민감하며, δ_f ≈ 0 근처에서 급격한 동온선을 보이며 열적 특성의 흡수에 대한 민감도를 나타낸다.
• 양상의 자화 프로파일을 계산한 결과 실험과 정성적으로 일치하지만, 특히 큰 δ_f와 작은 δ_q에서 불일치가 나타나 비모델링된 비열역학적 효과를 시사한다.
• 단서적 준비 프로토콜은 고전적 FM 또는 AFM 구성과 다를 바 있는 양자적으로 얽힌 상태를 성공적으로 생성하였으며, 상관 함수 및 자화 측정을 통해 이를 확인하였다.
• t-MPS 시뮬레이션에서 추정한 효과적 온도는 반자성체에서 임계점에 가까워지면서 특히 두드러지는 반자성 라비 진동으로 인해 진동하는 행동을 보이며, 이는 비열역학적 평형의 영향을 반영한다.