[논문 리뷰] Nonequilibrium phase transition in a driven-dissipative quantum antiferromagnet

Mona H. Kalthoff, Dante M. Kennes외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 08.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 67인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 수치 시뮬레이션을 통해 구동-소산성 2차원 헤이젠베르크 반자기체에서 비평형 상전이를 연구한다. 비평형 상태에서의 열적 분포와는 다름없이, 저강도 구동에서는 하위열적 분포를 보이다가 고강도 구동에서는 광역 보즈-아인슈타인 분포 형태를 띠며 매크로스코픽 응축체를 형성하는 등, 불연속적인 변화를 보이는 비열적 하위열적에서 초열적 상태로의 전이를 규명한다. 유한체 크기 분석을 통해 임계 스케일링과 임계 느림함을 입증한다.

ABSTRACT

A deeper theoretical understanding of driven-dissipative interacting systems and their nonequilibrium phase transitions is essential both to advance our fundamental physics understanding and to harness technological opportunities arising from optically controlled quantum many-body states. This paper provides a numerical study of dynamical phases and the transitions between them in the nonequilibrium steady state of the prototypical two-dimensional Heisenberg antiferromagnet with drive and dissipation. We demonstrate a nonthermal transition that is characterized by a qualitative change in the magnon distribution, from subthermal at low drive to a generalized Bose-Einstein form including a nonvanishing condensate fraction at high drive. A finite-size analysis reveals static and dynamical critical scaling at the transition, with a discontinuous slope of the magnon number versus driving field strength and critical slowing down at the transition point. Implications for experiments on quantum materials and polariton condensates are discussed.

연구 동기 및 목표

• 구동-소산성 양자 다체계에서의 비평형 상전이를 이해하기 위해.
• 평형 상태와는 질적으로 다른 진동자 분포를 띠는 비열적 정상 상태의 발생을 조사하기 위해.
• 대칭성 붕괴 전이와는 다름없는 새로운 하위열적에서 초열적 상태로의 전이를 특성화하기 위해.
• 유한체 크기 분석을 통해 전이점에서의 정적 및 동적 임계 스케일링 행동과 역학적 서명을 확립하기 위해.
• 양자 물질과 펄서론 응축체에서의 실험 관측 결과를 해석하기 위한 미시적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 비평형 동적 평균장 이론 접근법을 사용하여, 구동-소산성 2차원 헤이젠베르크 반자기체의 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 산란 과정을 효율적으로 계산하기 위해 운동량 공간을 등간격 에너지 구간으로 매핑한다.
• 에너지 및 운동량 보존 조건을 만족하는 운동량 4중항을 에너지에 따라 운동량을 분할하고 대칭화하여 세밀한 평형 조건을 강제한다.
• 마그논 분포 함수의 시간 진화를 적분하기 위해 이중단계 아담스-배시포스 선형 다단계 방법을 사용한다.
• 입자 수 및 에너지 보존을 유지하기 위해 대칭화된 상호작용 정점으로 정점 보정 및 산란 적분을 계산한다.
• 유한체 크기 스케일링 분 析을 통해 전이점에서의 정적 및 동적 임계 지수를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동-소산성 양자 반자기체에서 평형 상태의 대칭성 붕괴 전이와는 다름없는 비평형 상전이가 발생하는가?
• RQ2 강도가 증가하는 구동 조건에서 마그논 분포 함수는 어떻게 하위열적에서 초열적 행동으로 변화하는가?
• RQ3 전이와 관련된 정적 및 동적 임계 스케일링 행동은 무엇인가?
• RQ4 비열적 진동자 분포에 의해 비평형 정상 상태에서 매크로스코픽 응축체 분율이 나타날 수 있는가?
• RQ5 상호작용과 구동에서 열역학적 저장소로의 에너지 흐름은 정상 상태 상다이어그램의 성격을 어떻게 결정하는가?

주요 결과

• 비열적 하위열적에서 초열적 상태로의 전이가 확인되었으며, 임계점에서 마그논 수와 구동 강도 사이의 기울기가 불연속적으로 변화함을 보였다.
• 고강도 영역에서 마그논 분포는 비영인 응축체 분율을 가지며 광역 보즈-아인슈타인 형태를 띠며 매크로스코픽 양자 위상 일관성을 나타낸다.
• 유한체 크기 분 析를 통해 전이점에서 발산하는 상관 길이와 동적 임계 느림함을 보이는 정적 임계 스케일링이 드러났다.
• g = 1, 1/S = 0에서의 전이점은 상다이어그램의 임계 끝점이며, 하위열적과 초열적 영역을 구분하는 경계를 나타낸다.
• 계는 임계 느림함을 보이며, 전이점 근처에서 회복 시간이 급격히 증가함으로써 임계 역학의 존재를 확인한다.
• 상다이어그램은 질서 있는 하위열적 상과 무질서한 하위열적 상을 분리하는 임계선을 포함하며, g = 1, 1/S = 0에서의 임계 끝점은 2차원 헤이젠베르크 반자기체의 고유한 특성이다.