[논문 리뷰] Tunable Non-equilibrium Phase Transitions between Spatial and Temporal Order through Dissipation

Zhao Zhang, Davide Dreon외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 03.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비균형 상전이를 제어할 수 있는 소산적 광학 캐비티에 구속된 양자 기체를 제안하며, 이는 공간적 질서(공간 격자)와 시공간적 질서(소산적 시공간 격자) 사이의 조절 가능한 비균형 상전이를 나타낸다. 이는 캐비티-레이저 데티uning에 의해 제어된다. 소산은 지속적인 진동과 시간 결정화를 유도하며, 운동량 보존 손실 덕분에 원자들이 초구속 가속을 겪는다. 이는 평균장 이론과 SU(3) 홀스타인-프리마코프 매핑을 통해 입증된다.

ABSTRACT

We propose an experiment with a driven quantum gas coupled to a dissipative optical cavity that realizes a novel kind of far-from-equilibrium phase transition between spatial and temporal order. The control parameter of the transition is the detuning between the drive frequency and the cavity resonance. For negative detunings, the system features a spatially ordered phase, while positive detunings lead to a phase with both spatial order and persistent oscillations, which we call dissipative spatio-temporal lattice. We give numerical and analytical evidence for this superradiant phase transition and show that the spatio-temporal lattice originates from cavity dissipation. In both regimes the atoms are subject to an accelerated transport, either via a uniform acceleration or via abrupt transitions to higher momentum states. Our work provides perspectives for temporal phases of matter that are not possible at equilibrium.

연구 동기 및 목표

• 비균형 상태에서 공간적 질서와 시간적 질서 사이의 새로운 비균형 상전이를 실현하고자 한다.
• 소산이 양자 다체계에서 지속적인 진동과 시간 결정화를 유도할 수 있음을 보여주고자 한다.
• 드라이브 주파수와 캐비티 공진 주파수 간의 데티닝을 통해 상전이를 조절할 수 있음을 보여주고자 한다.
• 균형 상태에서는 접근할 수 없는 새로운 물질 상으로서 소산적 시공간 격자가 나타나는 것을 규명하고자 한다.
• 공학적으로 설계된 소산과 운동량 전달을 통해 초구속 원자 운반의 메커니즘을 확립하고자 한다.

제안 방법

• 일차원 보즈-아인슈타인 응축체가 손실이 있는 광학 캐비티에 결합되고 횡방향 러닝웨이브 레이저에 의해 드라이브된다.
• 시스템은 다체 해밀토니안의 모드 절단과 SU(3) 스위처 보손 매핑을 통해 유도된 삼모드 딕-유사 해밀토니안으로 모델링된다.
• 역학은 평균장 이론과 대규모 N 근사에서의 이차형 린드블라드 밀도 행렬 방정식의 정확한 해를 사용하여 분석된다.
• 일반화된 홀스타인-프리마코프 변환을 적용하여 스핀 연산자를 보존 모드로 매핑함으로써 전체 비균형 역학의 해석적 처리가 가능해진다.
• 안정성 분석은 리우빌리안 초연산자의 선형 반응 및 고유값 분석을 통해 수행되며, 디티닝 Δc와 피딩 강도 ηp를 변화시켜 상도를 탐색한다.
• 주요 질서 매개변수는 캐비티 장 강도 α(t)의 푸리에 변환으로 정의되며, 광자 누출을 통해 직접 측정 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비균형 양자계에서 공간적 질서와 시간적 질서 사이의 상전이를 실현할 수 있는가?
• RQ2 캐비티 소산은 어떻게 지속적인 진동과 시간 결정화의 기원이 되는가?
• RQ3 레이저 주파수와 캐비티 주파수 간의 데티닝은 물질의 상을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 격자 존재에도 불구하고 시스템은 초구속 원자 운반을 어떻게 지원하는가?
• RQ5 공간 격자상과 시공간 격자상 사이의 전이를 이끄는 불안정성의 본질은 무엇인가?

주요 결과

• 음성 데티닝(Δc < 0)의 경우, 일정한 캐비티 장을 가지며 공간적으로 질서가 잡힌 상이 형성되며, 이는 수퍼라디언트 공간 격자에 해당한다.
• 양성 데티닝(Δc > 0)의 경우, 지속적인 진동을 보이는 소산적 시공간 격자가 나타나며, 캐비티 장과 원자 운동량 상태에 진동이 존재한다.
• 상전이는 데티닝의 부호에 의해 유도되며, Δc = 0에서 수준 교차가 발생함으로써 시스템의 불안정성 구조 변화가 나타난다.
• 원자들은 운동량 보존 손실 덕분에 초구속 가속을 겪으며, 이 가속도는 캐비티 감쇠율 κ에 비례한다.
• 상전이는 큰 κ 근사에서 리우빌리안의 고유값 분석을 통해 양자 젠조 역학의 표현임을 확인함으로써 입증된다.
• SU(3) 홀스타인-프리마코프 변환을 사용한 수치 시뮬레이션과 해석적 해는 두 상의 안정성과 성격을 확인하며, 대규모 N 근사에서 정확한 해를 도출할 수 있다.