[논문 리뷰] Universality class of a spinor Bose-Einstein condensate far from equilibrium

SeungJung Huh, Koushik Mukherjee외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 09.

Theoretical and Computational Physics참고 문헌 55인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 질서 매개변수 대칭성과 위상 결함 상쇄와 관련된 고유한 스케일링 지수를 식별하여 냉각된 2차원 자성 스핀어 보즈-아인슈타인 응축체에서 보편적인 굵어짐 역학을 분류한다. 연구는 역학이 이진 유체 ($1/z = 0.58(2)$) 또는 확산 O(N) 보편성 범주 ($1/z = 0.43(3)$)에 속함을 보여주며, 물질파 간섭측정과 다체 시뮬레이션과의 일치로 검증된다.

ABSTRACT

Scale invariance and self-similarity in physics provide a unified framework to classify phases of matter and dynamical properties near equilibrium in both classical and quantum systems. This paradigm has been further extended to isolated many-body quantum systems driven far from equilibrium, where physical observables exhibit dynamical scaling with universal scaling exponents. Universal dynamics appear in a wide range of scenarios, including cosmology, quark-gluon matter, ultracold atoms, and quantum spin magnets. However, how universal dynamics depend on the symmetry of the underlying Hamiltonian in nonequilibrium systems remain an outstanding challenge. Here, we report on the classification of universal coarsening dynamics in a quenched two-dimensional ferromagnetic spinor Bose gas. We observe spatiotemporal scaling of spin correlation functions with distinguishable scaling exponents that characterize binary and diffusive fluids. The universality class of the coarsening dynamics is determined by the symmetry of the order parameter and the dynamics of the topological defects, such as domain walls and vortices. Our results provide a categorization of the universality classes of far from equilibrium quantum dynamics based on symmetry properties of the system.

연구 동기 및 목표

• 비평형 양자 다체계에서 보편적인 굵어짐 역학을 분류하는 것, 특히 스핀어 보즈-아인슈타인 응축체에서의 응용을 포함하여.
• 질서 매개변수 대칭성과 위상 결함 역학이 비평형 양자계에서 보편성 범주를 어떻게 규정하는지 규명하는 것.
• 초저온 원자 양자 시뮬레이터를 사용하여 냉각된 2D 자성 스핀어 BEC에서의 시공간 스케일링 지수를 실험적으로 측정하고 검증하는 것.
• 관측된 스케일링 행동을 결함 상쇄와 스핀 상관 함수를 통해 기존의 보편성 범주, 예를 들어 이진 유체 및 O(N) 대칭 시스템과 연결하는 것.

제안 방법

• 2차원 스핀어 BEC에서 이차적 자이만 에너지를 냉각하여 극성에서 자성 순서로의 전이를 유도하는 것.
• 다양한 홀드 시간 동안 스핀 상관 함수와 구조 인자 측정을 통해 시공간 스케일링 행동을 추출하는 것.
• 물질파 간섭측정을 사용하여 스핀 비틀림과 반비틀림을 탐지하고 추적하여 상쇄 역학을 식별하는 것.
• 비틀림 수 감쇠 데이터에 등급법 적합을 적용하여 임계 지수 $1/z$ 를 추출하는 것.
• 실험적 스케일링 지수를 다체 시뮬레이션과 비교하여 보편성 범주 할당의 타당성을 검증하는 것.
• 구조 인자의 Porod 꼬리 분석을 통해 날카운 도메인 벽 형성과 관성 유체역학 영역을 확인하는 것.

Figure 1: Universal coarsening dynamics and topological defects. a, Schematic diagram of the experimental sequence. Ramping the quadratic Zeeman energy $q$ , the initially prepared polar condensate is quenched to a magnetic phase ( $q<q_{c}$ ). Universal coarsening dynamics are investigated at (i) $

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각된 2차원 자성 스핀어 보즈-아인슈타인 응축체의 굵어짐 역학을 지배하는 보편성 범주는 무엇인가?
• RQ2 질서 매개변수의 대칭성(Z₂ 대 SO(3))가 비평형 역학에서 스케일링 지수 $1/z$ 에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 위상 결함 상쇄—특히 스핀 비틀림과 도메인 벽—이 동적 보편성 범주를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 실험적 관측 결과로 얻은 스케일링 지수는 비열적 固定点 이론 예측과 다체 시뮬레이션과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 물질파 간섭측정을 통해 굵어지는 양자계에서 스핀 비틀림의 형성과 상쇄를 어떻게 식별하고 추적할 수 있는가?

주요 결과

• Z₂ 대칭성을 가진 용이축 단계에서 $1/z = 0.58(2)$ 의 스케일링 지수가 관측되어 관성 유체역학 영역에서 이진 유체의 보편성 범주에 속함을 시사한다.
• SO(3) 대칭성을 가진 등방성 단계에서는 $1/z = 0.43(3)$ 이 측정되어 비열적 보편성 범주인 O(N) 대칭 해밀토니안에 속함을 나타낸다.
• 스핀 비틀림은 냉각 후 $0 < t < 15~\text{ms}$ 에 내재되며 이후 상쇄되며, 그 수는 $N_S \sim t^{-2/z}$ 의 법칙에 따라 감소한다.
• 비틀림 수의 등급법 감쇠는 시뮬레이션에서 $1/z = 0.43(1)$ 과 실험에서 $1/z = 0.48(8)$ 을 도출하여 뛰어난 일치를 보인다.
• 구조 인자의 Porod 꼬리는 날카운 도메인 벽 존재를 확인하며, 이는 관성 영역에서의 보편적 굵어짐의 상징이다.
• 점형 비틀림에서 선형 도메인 벽으로의 전이가 관측되며, 도메인 벽이 만기 시 보편적 역학을 지배한다.

Figure 2: Dynamic scaling and power law growth of the domain length. a, Scaled correlation function $\mathcal{G}(r/L)$ at various hold times, $t\in[0.2~{}\rm s,0.8~{}\rm s]$ . Longitudinal spin correlation functions at various hold times (inset) collapse onto a single function after rescaling the ra