[论文解读] Continuous Symmetry Breaking in a Two-dimensional Rydberg Array

Cheng Chen, Guillaume Bornet+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 12

一句话总结

本研究通过实现具有可调铁磁和反铁磁相互作用的偶极XY模型，在二维里德堡原子阵列中展示了连续对称性自发破缺。利用单点地址控制和绝热态制备，作者观测到铁磁相中的长程序，以及反铁磁相中与贝雷津-科斯特利茨-索利斯理论一致的代数衰减，证实了长程偶极相互作用在低维系统中稳定拓扑序的关键作用。

ABSTRACT

Spontaneous symmetry breaking underlies much of our classification of phases of matter and their associated transitions. The nature of the underlying symmetry being broken determines many of the qualitative properties of the phase; this is illustrated by the case of discrete versus continuous symmetry breaking. Indeed, in contrast to the discrete case, the breaking of a continuous symmetry leads to the emergence of gapless Goldstone modes controlling, for instance, the thermodynamic stability of the ordered phase. Here, we realize a two-dimensional dipolar XY model -- which exhibits a continuous spin-rotational symmetry -- utilizing a programmable Rydberg quantum simulator. We demonstrate the adiabatic preparation of correlated low-temperature states of both the XY ferromagnet and the XY antiferromagnet. In the ferromagnetic case, we characterize the presence of long-range XY order, a feature prohibited in the absence of long-range dipolar interaction. Our exploration of the many-body physics of XY interactions complements recent works utilizing the Rydberg-blockade mechanism to realize Ising-type interactions exhibiting discrete spin rotation symmetry.

研究动机与目标

• 利用可编程里德堡量子模拟器实现具有连续自旋旋转对称性的二维偶极XY模型。
• 研究在长程偶极相互作用存在下长程序的稳定性，尤其关注默里-沃格特定理的背景。
• 实验探测具有连续对称性的二维系统中真正长程序（铁磁相）与代数长程序（反铁磁相）之间的区别。
• 通过量子淬火协议标定有效温度，并评估热类似激发对磁序稳定性的破坏作用。
• 证明所制备的态为量子纠缠态，而非经典自旋构型，从而确认真实多体序的存在。

提出的方法

• 利用最多N=100个里德堡原子组成的无缺陷正方晶格，通过长程偶极相互作用模拟具有可调铁磁或反铁磁耦合的XY哈密顿量。
• 采用单点地址控制与绝热升压技术，从经典交错自旋构型制备低温多体量子态。
• 测量完整的空间关联函数，以探测铁磁相中的非对角长程序，以及反铁磁相中的幂律衰减。
• 通过突然改变拉比驱动实施部分淬火协议，模拟有限温度效应并探测序的稳定性。
• 通过DMRG基态与t-MPS模拟，将能量转换为有效温度，假设系统在M^z=0子空间中热化为热密度矩阵。
• 利用数值模拟将预测的磁化率衰减与相边界与实验数据对比，考虑非绝热效应与顺磁拉比振荡的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在长程偶极相互作用的二维里德堡原子阵列中，尽管存在默里-沃格特定理，是否仍可实现连续对称性自发破缺？
• RQ2 当长程相互作用存在时，二维XY铁磁体是否表现出真正的长程序？
• RQ3 在二维系统中，XY反铁磁体是否表现出与贝雷津-科斯特利茨-索利斯理论一致的代数长程序？
• RQ4 从量子淬火协议估算的有效温度如何影响XY磁序的稳定性？
• RQ5 非绝热效应与非热化弛豫在多大程度上扭曲了淬火实验中热化假设的合理性？

主要发现

• 铁磁XY态表现出长程序，关联函数衰减缓慢，证实了在二维系统中存在非对角长程序，这在短程相互作用系统中是被禁止的。
• 在反铁磁相中，关联函数随距离呈代数衰减，与贝雷津-科斯特利茨-索利斯理论一致，且表明不存在真正的长程序。
• 从淬火协议估算的有效温度对最终光移δ_f表现出强依赖性，尤其在反铁磁相中，当δ_f ≈ 0附近出现陡峭等温线，表明对热类似激发高度敏感。
• 两种相的磁化率分布计算结果与实验数据定性吻合，尤其在反铁磁相中表现良好，但在大δ_f与小δ_q区域出现偏差，提示存在未建模的非热效应。
• 绝热制备协议成功生成了与经典铁磁或反铁磁构型不同的量子关联态，该结论通过关联函数与磁化率测量得到验证。
• t-MPS模拟估算的有效温度显示出振荡行为，这是由于顺磁拉比振荡所致，尤其在反铁磁相中更为显著，因其靠近临界点。