[논문 리뷰] Observation of discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body system

Soonwon Choi, Joonhee Choi외 12명|RePEc: Research Papers in Economics|2016. 10. 25.

Theoretical and Computational Physics인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 대규모 비순서적 다이폴 스핀 체계인 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심에서 이산 시간 결정(DTC) 순서의 첫 실험적 관측을 보고한다. 주기적인 마이크로파 조사에 의해 연구진은 주기의 정수배에서 장수한, 하모닉 주파수의 시간 상관관계를 관측하였으며, 느린 열화 및 강한 장거리 상호작용에도 불구하고 지속되는 강건한 DTC 순서를 입증하였다. 이는 국소화 또는 사열화 이론에 기반한 기존 이론적 기대에 도전한다.

ABSTRACT

Understanding quantum dynamics away from equilibrium is an outstanding challenge in the modern physical sciences. It is well known that out-of-equilibrium systems can display a rich array of phenomena, ranging from self-organized synchronization to dynamical phase transitions. More recently, advances in the controlled manipulation of isolated many-body systems have enabled detailed studies of non-equilibrium phases in strongly interacting quantum matter. As a particularly striking example, the interplay of periodic driving, disorder, and strong interactions has recently been predicted to result in exotic "time-crystalline" phases, which spontaneously break the discrete time-translation symmetry of the underlying drive. Here, we report the experimental observation of such discrete time-crystalline order in a driven, disordered ensemble of $\sim 10^6$ dipolar spin impurities in diamond at room-temperature. We observe long-lived temporal correlations at integer multiples of the fundamental driving period, experimentally identify the phase boundary and find that the temporal order is protected by strong interactions; this order is remarkably stable against perturbations, even in the presence of slow thermalization. Our work opens the door to exploring dynamical phases of matter and controlling interacting, disordered many-body systems.

연구 동기 및 목표

• 강한 상호작용을 보이는 비순서적 다체 양자 시스템에서 이산 시간 결정(DTC) 순서를 실험적으로 관측하는 것.
• 국소화나 비순서성으로 조정되지 않은 시스템에서도 DTC 순서가 나타날 수 있는지, 특히 장거리 다이폴 상호작용이 존재할 경우를 조사하는 것.
• 느린 열화 및 환경 결합 조건 하에서 DTC 순서의 안정성과 수명을 탐구하는 것.
• 기존 이론 프레임워크가 국소화 또는 사열화 시스템에서만 DTC 순서를 예측하는 데 도전하는 것.
• 이러한 시스템이 새로운 동적 양자 상을 유지하고 양자 미세측정 분야에서의 응용 가능성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 합성 다이아몬드에서 제작된 나노빔에 포함된 고밀도 NV 중심 스핀 불순물 집합(~10^6)을 사용하였다.
• 변동 가능한 펄스 지속시간 τ₁ 및 θ-펄스를 사용하여 주기적인 마이크로파 조사(플로케트 사이클)를 통해 시간주기 해밀토니안을 설계하였다.
• 레이저 조사 및 마이크로파 펄스를 이용해 NV 스핀 상태의 광학적 초기화, 공명 조작 및 판독을 수행하였다.
• 플로케트 사이클을 n번 반복한 후 시간에 따라 변화하는 스핀 극화도 P(nT)를 측정하여 주기의 정수배에서 하모닉 반응을 탐지하였다.
• 극화 신호의 푸리에 스펙트럼 분석을 통해 ν = 1/3, 1/2 및 기타 분수 주파수에서 강건한 피크를 확인하여 DTC 순서를 규명하였다.
• 상호작용 시간 τ₁ 및 펄스 각도 θ를 체계적으로 변화시켜 상전이 경계를 매핑하고 외부 교란에 대한 안정성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 다이폴 상호작용을 갖는 거대하고 비순서적인 다체계에서 이산 시간 결정 순서를 관측할 수 있는가?
• RQ2 다체 국소화 없이도 DTC 순서가 안정한가, 특히 시스템이 느린 열화를 보일 경우에 대해 어떻게 되는가?
• RQ3 강한 상호작용과 비순서성이 교란 및 환경 결합에 대한 DTC 순서의 안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 예상되는 국소화가 없는 시스템에서 사열화 시간 스케일을 초월해 DTC 순서가 지속될 수 있는가?
• RQ5 이론적 예측(국소화 또는 사열화 이론 기반)과 시스템의 행동이 어떻게 다를까?

주요 결과

• 기본 주기의 정수배에서 장수한 시간 상관관계를 관측하였으며, 스핀 극화의 푸리에 스펙트럼에서 ν = 1/3에서 강건한 피크를 확인하였다.
• DTC 순서는 스핀 회복 시간 T₁^ρ로 제한되는 시간 스케일 동안 지속되었으며, 디코herence 및 교란에 대한 놀라운 안정성을 보였다.
• 강한 상호작용 조건(τ₁ = 387 ns)에서 ν = 1/3의 DTC 피크는 17% 이내의 교란에도 불구하고 유지되었으며, 위상수학적 보호와 유사한 특성을 보였다.
• 관측된 DTC 순서는 다체 국소화나 사열화 기반 기존 이론으로는 설명될 수 없었으며, 시스템이 임계적이고, 부분적 확산 동역학을 보였기 때문이다.
• 느린 임계 열화로 인해 시스템은 사열화 상태에 도달하지 못했으며, 이는 현재 이론 모델을 초월하는 새로운 동적 상의 존재를 시사한다.
• DTC 순서는 初기 상태 극화도에 민감하지 않아, 일시적인 효과가 아니라 안정적이고 집단적인 반응임을 나타낸다.