[논문 리뷰] Probing quench dynamics across a quantum phase transition into a 2D Ising antiferromagnet

Elmer Guardado-Sanchez, Peter Brown외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 02.

Quantum many-body systems참고 문헌 68인용 수 54

한 줄 요약

이 논문은 거의 결함 없는 Li-6 원자 배열과 저-lying Rydberg 상태에 연결된 2D 양자 이징 모델에서의 급퀜치(quench) 역학을 실험적으로 연구하고, 파라매그넷–반자기전이에서의 갑작스러운 및 완만한 퀜치들을 분석하며 NLCE 및 정확 대각화와 비교한다.

ABSTRACT

Simulating the real-time evolution of quantum spin systems far out of equilibrium poses a major theoretical challenge, especially in more than one dimension. We experimentally explore the dynamics of a two-dimensional Ising spin system with transverse and longitudinal fields as we quench it across a quantum phase transition from a paramagnet to an antiferromagnet. We realize the system with a near unit-occupancy atomic array of over 200 atoms obtained by loading a spin-polarized band insulator of fermionic lithium into an optical lattice and induce short-range interactions by direct excitation to a low-lying Rydberg state. Using site-resolved microscopy, we probe the correlations in the system after a sudden quench from the paramagnetic state and compare our measurements to exact calculations in the regime where it is possible. We achieve many-body states with longer-range antiferromagnetic correlations by implementing a near-adiabatic quench and study the buildup of correlations as we cross the quantum phase transition at different rates.

연구 동기 및 목표

• 1D를 넘어서는 실제 양자 스핀 시스템의 실시간 동역학과 평형 상태를 이해하려는 동기 부여.
• Rydberg 매개 이웃상호작용을 이용한 거의 단일 점유의 2D 원자 배열에서 2D Ising 모델 구현.
• 갑작스러운 및 느린 프로토콜을 사용한 파라매그넷에서 반자기전이로의 퀜치 역학 조사.
• 사이트 해상도 스핀 상관관계를 측정하고 최첨단 수치 방법과 비교한다.

제안 방법

• 2D 양자 이징 모델을 수평 및 종 방향 필드로 구현하며 Li-6 원자를 23P Rydberg 상태에 결합시켜 구현한다.
• 거의 단일 점유를 가진 2D 격자를 이용해 degenerate Li-6 기체로부터 로딩하고 6-site 원호를 95.7% 점유로 생성한다.
• 모형 해밀토니안 H = Ω sum_i S_i^x + sum_i (I_i − Δ) S_i^z + sum_{i≠j} (V_ij/2) S_i^z S_j^z with V_ij = C6/|r_i−r_j|^6.
• 사이트 해상도 이미지에서 스핀 상관관계 C(r) = 4[⟨S_i^z S_{i+r}^z⟩ − ⟨S_i^z⟩⟨S_{i+r}^z⟩]를 추출한다.
• 짧은 시간 스 dynamics를 NLCE (11th order) 및 4×4 격자에서의 정확 대각화와 비교하고 C6 및 탐지 스케일링 α를 적합한다.
• 더 긴, 거의 준절차적인(quasi-adiabatic) 퀜치를 수행하여 더 긴 거리의 반자기 상관관계를 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D Ising 전이에서의 퀜치 역학이 최근접 이웃 및 다음다음 이웃 스핀 상관관계에서 어떻게 나타나는가?
• RQ2 NLCE와 정확 대각화가 Rydberg 매개 상호작용을 갖는 2D에서 관찰된 역학을 어느 정도 포착하는가?
• RQ3 퀜치 속도가 반자기 상관관계의 형성과 범위에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 거의 준단조적(ramps) 구동으로 더 긴 범위의 상관관계를 생성할 수 있는가, 그리고 느린 퀜치에 대한 decoherence의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 갑작스러운 퀜치에서 Δ를 변화시켰을 때 최근접 이웃 상관관계에서 부호 변화가 관찰된다.
• NLCE(11th order)와 정확 대각화가 짧은 시간 데이터와 일치하며 C6/h ≈ −1.1(1) MHz μm^6 및 α ≈ 0.89(1)로 나타난다.
• 더 긴 퀜치는 다음 근접 이웃 상관관계를 zero crossing과 함께 나타내며, 12번째를 초과하는 NLCE 수렴은 도전적이다.
• 느린 퀜치는 더 긴 거리의 반자기 상관관계를 형성하지만 decoherence가 커져 최고 상관관계를 감소시킨다.
• 느린 램프의 끝 근처에서 거리 의 상관관계가 지수적으로 감소하는 것이 관찰되며, 상관길이 ξ는 대략 0.74–1.9 a_l의 범위이다.
• 3×3 부분시스템 구성을 나타내는 확률은 램프 끝으로 갈수록 반자기 상태가 가장 가능성이 높은 상태가 된다.