[论文解读] Probing many-body localization in the presence of a quantum bath

Antonio Rubio-Abadal, Jae‐yoon Choi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 8

一句话总结

本实验研究通过将无序组分与可变尺寸的清洁、碰撞耦合量子浴耦合，探究了二维超冷玻色子中的多体局域化（MBL）。利用大规模量子模拟器，作者证明MBL在小浴作用下仍保持鲁棒，但最终会被更大浴破坏，证实了在长时间尺度下2D系统中MBL的稳定性。

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.

研究动机与目标

• 研究当小遍历量子浴耦合至无序区域时，二维系统中多体局域化（MBL）的稳定性。
• 确定MBL在存在小热化浴的条件下是否能够持续，该情形与高维MBL及开放量子系统密切相关。
• 系统性地增加浴的尺寸，探索从局域化到非局域化行为的转变。
• 为2D系统在长时间尺度下MBL的稳定性提供实验证据，解决量子热化与局域化领域中的开放问题。

提出的方法

• 利用二维光晶格囚禁具有可调相对布居的两组分超冷玻色子混合物。
• 选择性地在一组分上施加无序势，形成可能表现出MBL的无序'脏'组分。
• 第二组分（非无序组分）作为可控量子浴，其尺寸和耦合强度可通过碰撞相互作用调节。
• 采用量子淬火协议和时间分辨测量，探测在不同浴条件下无序组分的动力学行为。
• 通过位点分辨成像和关联测量，在长时间尺度下评估局域化与热化行为。
• 系统性地改变浴的尺寸和耦合强度，以探测MBL被破坏的临界条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 当耦合至小遍历量子浴时，多体局域化是否能在二维系统中持续存在？
• RQ2 量子浴的尺寸如何影响MBL相的稳定性？
• RQ3 在2D系统中，MBL被破坏的临界浴尺寸是多少？
• RQ4 当存在小浴时，MBL是否在长时间尺度下仍保持稳定？
• RQ5 清洁与无序组分之间的碰撞耦合如何影响局域化动力学？

主要发现

• 即使在长时间尺度内与小量子浴耦合，MBL在二维超冷玻色子中依然保持稳定。
• 小浴的存在并未立即破坏MBL相，表明2D中局域化具有强鲁棒性。
• 足够大的浴最终导致MBL被破坏，表明存在一个热化占主导地位的临界浴尺寸。
• 在无浴条件下，系统表现出清晰的局域化动力学特征；随着浴尺寸增大，出现热化迹象。
• 实验装置可精确控制浴的尺寸与耦合强度，实现了对MBL到热化相变的系统性探测。
• 结果支持在二维系统中存在稳定MBL相，即使在弱耦合至热化环境的条件下亦成立。