[论文解读] Catching Bethe phantoms and quantum many-body scars: Long-lived spin-helix states in Heisenberg magnets

Paul Niklas Jepsen, Yoo Kyung Lee+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2021

Quantum many-body systems参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文通过实验展示了各向异性海森堡磁体中长寿命自旋螺旋态的存在，证实了‘幽灵贝特态’——具有有限动量但能量为零的精确多体本征态——的存在。利用冷原子系统，作者观测到在满足幽灵条件 Δ = cos(Qpa) 的波矢处，衰减率出现最小值，揭示了与非可积系统中量子多体疤痕相关的稳定、非热化动力学。

ABSTRACT

Exact solutions for quantum many-body systems are rare and provide valuable insight to universal phenomena. Here we show experimentally in anisotropic Heisenberg chains that special helical spin patterns can have very long lifetimes. This finding confirms the recent prediction of phantom Bethe states, exact many-body eigenstates carrying finite momenta yet no energy. We theoretically find analogous stable spin helices in higher dimensions and in other non-integrable systems, where they imply non-thermalizing dynamics associated with quantum many-body scars. We use phantom spin helices to directly measure the interaction anisotropy which has a major contribution from short-range off-site interactions that have not been observed before. Phantom helix states open new opportunities for quantum simulations of spin physics and studies of many-body dynamics.

研究动机与目标

• 通过实验验证量子自旋链中‘幽灵贝特态’——具有有限动量但能量为零的精确本征态——的存在。
• 研究在非可积海森堡模型中，自旋螺旋态在不同各向异性和波矢下的稳定性和动力学行为。
• 证明这些长寿命态可作为探测此前在接触相互作用体系中未观测到的短程非邻近自旋相互作用的探针。
• 将幽灵螺旋态的概念推广至高维、高自旋系统及非立方晶格，展示其在量子多体疤痕中的相关性。
• 建立一种实用的实验方案，利用冷原子实现并测量这些态，从而实现对自旋各向异性的直接测定。

提出的方法

• 利用具有工程化自旋交换各向异性的可调冷原子量子模拟器，制备具有可控波矢 Q 的横向自旋螺旋态。
• 在固定各向异性 Δ 的条件下，测量自旋螺旋态的衰减动力学随 Q 的变化，发现在满足 Δ = cos(Qpa) 的 Q = Qp 处出现显著的衰减率最小值。
• 理论分析将幽灵螺旋态条件推广至高维、任意自旋量子数及非立方晶格，表明其在非可积系统中仍保持稳定。
• 推导包含非邻近相互作用修正的有效自旋哈密顿量，表明幽灵条件允许直接从实验中测定 Δ。
• 提出将实验扩展至环形原子阵列，以探测周期性边界条件及幽灵螺旋态的长期稳定性。
• 利用幽灵条件 Δ = cos(Qpa) 从实验衰减数据中提取自旋各向异性 Δ，揭示了近邻非邻近相互作用的显著贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否具有满足 Δ = cos(Qpa) 的波矢 Q 的自旋螺旋态，由于幽灵贝特态的存在而表现出异常长的寿命？
• RQ2 幽灵螺旋态是否可在非可积海森堡模型中实验观测到，且是否导致非热化动力学？
• RQ3 此前在接触相互作用体系中未观测到的短程非邻近相互作用，在多大程度上影响自旋各向异性 Δ？
• RQ4 幽灵螺旋态是否可超越一维自旋-1/2链，推广至高维及高自旋系统？
• RQ5 幽灵螺旋态能否作为灵敏探针，用于测量超冷原子量子模拟器中的相互作用各向异性 Δ？

主要发现

• 在满足幽灵条件 Δ = cos(Qpa) 的波矢 Q 处，观测到自旋螺旋态衰减率出现显著最小值，证实了长寿命幽灵贝特态的存在。
• 测量得到的各向异性 Δ 显著受近邻非邻近相互作用影响，而这类相互作用此前在接触相互作用体系中未被观测到。
• 理论分析证实，幽灵螺旋态在高维海森堡模型及更高自旋量子数下仍保持稳定，即使在非可积系统中亦然。
• 这些长寿命态表现出与量子多体疤痕特征相符的非热化动力学，展示了强相互作用系统中弱遍历性破缺的证据。
• 幽灵螺旋态提供了一种直接的实验方法来测定 Δ，从而可精确表征超冷原子平台中的自旋相互作用。
• 结果表明，即使短程相互作用也能产生显著的非邻近自旋耦合，提示实现具有超固态相的扩展 Hubbard 模型的新路径。