[논문 리뷰] Controlling local thermalization dynamics in a Floquet-engineered dipolar ensemble

Leigh S. Martin, Hengyun Zhou외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 19.

Quantum many-body systems인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 DROID-R2D2 펄스 시퀀스를 사용하여 플로케트 공 ing된 디폴라 스피너 앙상블에서 국소적 열화 동역학을 제어함으로써 불순성과 상호작용 유도 오차를 억제한다. z-프레임에서의 펄스 간격을 조절함으로써 연구자들은 XXZ 해밀토니안을 설계하고, 특히 헤이젠베르크 점에서의 SU(2) 대칭성과 같은 보존 법칙이 붕괴 속도의 곡선에 낮은 침강과 상관관계 붕괴 형태의 연신 현상을 유도함으로써, 일관된 동역학과 비수체역학적 붕괴의 직접적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Understanding the microscopic mechanisms of thermalization in closed quantum systems is among the key challenges in modern quantum many-body physics. We demonstrate a method to probe local thermalization in a large-scale many-body system by exploiting its inherent disorder, and use this to uncover the thermalization mechanisms in a three-dimensional, dipolar-interacting spin system with tunable interactions. Utilizing advanced Hamiltonian engineering techniques to explore a range of spin Hamiltonians, we observe a striking change in the characteristic shape and timescale of local correlation decay as we vary the engineered exchange anisotropy. We show that these observations originate from the system's intrinsic many-body dynamics and reveal the signatures of conservation laws within localized clusters of spins, which do not readily manifest using global probes. Our method provides an exquisite lens into the tunable nature of local thermalization dynamics, and enables detailed studies of scrambling, thermalization and hydrodynamics in strongly-interacting quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 플로케트 공 ing을 통해 불순성 있는 디폴라 스피너 시스템에서 국소적 열화 동역학을 제어하기.
• 고도의 펄스 시퀀스 설계를 통해 다체 스피너 동역학에서의 불순성과 상호작용 유도 오차를 억제하기.
• XXZ 이방성 매개변수를 조절하여 보존 법칙과 일관된 상호작용의 비평형 붕괴에서의 역할을 탐구하기.
• 실험적 상관 함수와 수치 시뮬레이션을 사용하여 국소적 열화 이론 모델을 검증하기.
• 헤이젠베르크 점에서의 SU(2) 대칭성이 붕괴 동역학에 특별하고 측정 가능한 서명을 유도함을 보여주기.

제안 방법

• 다이아몬드 내 질소공백 중심(NV) 중심 앙상블에서 DROID-R2D2 플로케트 펄스 시퀀스를 사용하여 목표 XXZ 해밀토니안을 설계하였다.
• 12 GS/s의 고유형 웨이브폼 생성기를 사용하여 x, y, z 축을 중심으로 하는 정확한 π/2 및 π 펄스를 적용하여 시퀀스를 실행하였다.
• 총 플로케트 주기를 1702 ns로 고정한 상태에서 z-프레임 내 펄스 간격을 2–70 ns 범위로 조절하여 XXZ 해밀토니안을 설계하였다.
• 빠른 디코herence를 극복하기 위해 분수 플로케트 주기에서 상관 함수를 측정하기 위해 서브샘플링 기법을 적용하였다.
• 정확한 스피너 상관 함수를 추출하기 위해 분산 제거 및 정규화를 수행한 양자 상태 토모그래피를 실시하였다.
• 해석적 계산과 클러스터 동역학적 평균장 이론(cDMFT)을 사용하여 쌍 스피너 동역학을 모델링하고 실험 데이터와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XXZ 이방성 매개변수를 조절할 경우, 불순성 있는 디폴라 스피너 시스템에서 국소적 열화 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 보존 법칙—특히 SU(2) 대칭성—은 스피너 상관관계 붕괴에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 일관된 상호작용과 비수체역학적 붕괴는 실험적으로 관측되고 평균장 행동과 구별될 수 있는가?
• RQ4 강한 불순성이 존재하는 조건에서 마그누스 전개의 고차항은 해밀토니안 설계 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비틀림된 색삭데-예 모델과 cDMFT와 같은 최소 모델은 관측된 실험적 동역학을 어느 정도 잘 묘사하는가?

주요 결과

• DROID-R2D2 시퀀스는 주요 차수의 불순성과 상호작용 오차를 성공적으로 억제하여 고정밀도의 XXZ 해밀토니안 설계를 가능하게 하였다.
• 헤이젠베르크 점(XXZ 이방성 매개변수 g_z = g_x)에서 스피너 상관관계 붕괴 속도에 뚜렷한 침강이 관측되어 SU(2) 대칭성과 관련된 X 보존의 존재를 시사하였다.
• 헤이젠베르크 점에서 붕괴 형태가 연신 현상을 보였으며, 이는 수체역학의 부재와 보존 법칙의 영향을 반영한 것으로 일관되었다.
• 수치 시뮬레이션은 상전도도의 쉬운 평면 측면에서 전역 및 국소적 붕괴의 시간 상수 비율이 크게 감소함을 확인하여 보존 법칙의 역할을 지지하였다.
• 쌍 스피너 동역학에 대한 해석적 계산은 상관관계의 초기 붕괴가 시간에 비례하여 선형적으로 증가함을 보여주었으며, F(τ) ≈ (64/(9√3))J|τ|로 표현되어 일관된 교환 동역학을 확인하였다.
• 동역학적 평균장 이론은 헤이젠베르크 점에서의 침강을 재현하지 못하였으며, 이는 관측된 행동이 국소적 평균장 효과가 아니라 비국소적 보존 법칙에 기인함을 강력히 뒷받침하는 증거였다.