[논문 리뷰] Probing many-body localization in the presence of a quantum bath

Antonio Rubio-Abadal, Jae‐yoon Choi외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 30.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 8

한 줄 요약

이 실험적 연구는 크기가 가변적인 순수하고 충돌적으로 결합된 양자 해수로, 불순물이 있는 성분과 결합된 2차원 초냉각 보존에서 다체 국소화(MBL)를 조사한다. 대규모 양자 시뮬레이터를 사용하여 저자들은 MBL가 작은 해수에 대해 강건함을 보였지만, 더 큰 해수에 의해 결국 파괴됨을 입증하였으며, 이는 장시간 스케일에서 2D에서의 MBL 안정성을 확인한다.

ABSTRACT

Closed generic quantum many-body systems may fail to thermalize under certain conditions even after long times, a phenomenon called many-body localization (MBL). Numerous studies have left no doubt about the stability of the MBL phase in strongly disordered one-dimensional systems. However, the situation is much less clear when a small part of the system is ergodic, a scenario which also has important implications for the existence of many-body localization in higher dimensions. Here we address this question experimentally using a large-scale quantum simulator of ultracold bosons in a two-dimensional optical lattice. We prepare two-component mixtures of varying relative population and implement a disorder potential which is only experienced by one of the components. The second non-disordered clean component plays the role of a small quantum bath of adjustable size that is collisionally coupled to the dirty component. Our experiments provide evidence that MBL is remarkably stable in 2D and can even survive in the presence of a small bath for our observed long timescales. A too large bath, however, ultimately leads to the destruction of MBL.

연구 동기 및 목표

• 소규모 에르고딕 양자 해수가 불순물 영역에 결합된 경우 2차원 시스템에서 다체 국소화(MBL)의 안정성을 조사하기 위해.
• 소규모 열화하는 해수가 존재하는 조건에서 MBL가 지속될 수 있는지 확인하기 위해, 이는 고차원 MBL 및 개방 양자 시스템과 관련된 상황이다.
• 해수의 크기를 체계적으로 증가시킬 때 국소화에서 비국소화로의 전이를 탐색하기 위해.
• 장시간 스케일에서 2D에서 MBL 안정성에 대한 실험적 증거를 제공하여 양자 열화 및 국소화 분야의 열린 질문을 해결하기 위해.

제안 방법

• 조절 가능한 상대적 밀도를 가진 두 성분 혼합물에서 초냉각 보존을 두 차원 광학 격자로 갇혔다.
• 불순물 위치를 한 성분에만 적용하여 불순물이 있는 '더러운' 성분을 만들었으며, 이 성분은 MBL를 나타낼 수 있다.
• 두 번째 성분은 불순물이 없으며, 충돌 상호작용를 통해 조절 가능한 양자 해수로 기능하며, 크기와 결합 강도를 조절할 수 있다.
• 양자 쿠잉 프로토콜과 시간에 따른 측정을 사용하여 다양한 해수 조건에서 불순물 성분의 동역학을 탐구하였다.
• 장시간 스케일에서 국소화 및 열화 상태 행동을 평가하기 위해 사이트 해상도 영상 및 상관 측정을 사용하였다.
• MBL 파괴의 임계점을 탐색하기 위해 해수 크기와 결합 강도를 체계적으로 변화시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소규모 에르고딕 양자 해수가 존재할 경우 2차원 시스템에서 다체 국소화가 유지될 수 있는가?
• RQ2 양자 해수의 크기가 MBL 상의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 2차원 시스템에서 MBL가 파괴되는 데 필요한 임계 해수 크기는 얼마인가?
• RQ4 소규모 해수가 존재할 경우 장시간 스케일에서 MBL이 안정하게 유지되는가?
• RQ5 청결한 성분과 불순물 성분 사이의 충돌 상호작용은 국소화 동역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 장시간 스케일 동안 2차원 초냉각 보존에서 MBL는 작은 양자 해수와 결합되어도 안정성을 유지한다.
• 소규모 해수가 존재하더라도 MBL 상이 즉각적으로 파괴되지 않으며, 이는 2차원에서 국소화의 강력한 내성임을 시사한다.
• 충분히 큰 해수가 존재하면 MBL가 결국 파괴되며, 이는 열화 상태가 지배하는 임계 해수 크기를 의미한다.
• 해수가 없을 경우 시스템은 명백한 국소화의 동적 징후를 보이며, 해수 크기가 증가함에 따라 열화 상태의 징후가 나타난다.
• 실험적 설정은 해수 크기와 결합 강도를 정밀하게 제어할 수 있어 MBL에서 열화 상태로의 전이를 체계적으로 탐색할 수 있다.
• 결과는 약한 열화 환경와의 결합 조건에서도 2차원에서 안정한 MBL 상이 존재할 수 있음을 지지한다.