[论文解读] Confined Dynamics in Long-Range Interacting Quantum Spin Chains

Jiehang Zhang, Fangli Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本文研究了一维长程相互作用量子自旋链中幂律相互作用（$1/r^\alpha$）的影响，表明此类相互作用会诱导产生束缚势，将畴壁（扭结）束缚成类似于高能物理中介子的准粒子态。研究显示，这些束缚态在全局淬火后自旋序参量的傅里叶谱中留下可测量的特征，使得可通过实验可观测量直接探测其质量，并预测了某些初态下热化过程的缓慢行为。

ABSTRACT

We study the quasiparticle excitation and quench dynamics of the one-dimensional transverse-field Ising model with power-law ($1/r^{\alpha}$) interactions. We find that long-range interactions give rise to a confining potential, which couples pairs of domain walls (kinks) into bound quasiparticles, analogous to mesonic bound states in high-energy physics. We show that these quasiparticles have signatures in the dynamics of order parameters following a global quench and the Fourier spectrum of these order parameters can be expolited as a direct probe of the masses of the confined quasiparticles. We introduce a two-kink model to qualitatively explain the phenomenon of long-range-interaction induced confinement, and to quantitatively predict the masses of the bound quasiparticles. Furthermore, we illustrate that these quasiparticle states can lead to slow thermalization of one-point observables for certain initial states. Our work is readily applicable to current trapped-ion experiments.

研究动机与目标

• 理解一维量子自旋链中长程相互作用如何导致类似于粒子物理的准粒子束缚现象。
• 识别全局淬火后序参量动力学中可实验探测的束缚准粒子态的特征。
• 构建一个双扭结模型，以定量预测幂律相互作用诱导的束缚准粒子态的质量。
• 研究束缚准粒子对局域可观测量热化动力学的影响。
• 在理论预测与当前离子阱量子模拟平台之间建立直接联系。

提出的方法

• 使用精确对角化和时间演化技术分析具有$1/r^\alpha$型长程相互作用的横场伊辛模型。
• 应用全局淬火协议，研究自旋序参量及其傅里叶谱的时间演化。
• 构建双扭结有效模型，描述在长程相互作用下畴壁结合成准粒子的过程。
• 利用序参量的傅里叶谱作为探针，提取束缚准粒子的质量。
• 将数值结果与双扭结模型的预测进行比较，以验证束缚机制。
• 通过监测特定初态下一阶可观测量的弛豫行为，评估热化动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 一维量子自旋链中的长程相互作用如何导致束缚准粒子态的形成？
• RQ2 能否从全局淬火后序参量动力学的傅里叶谱中提取这些束缚准粒子的质量？
• RQ3 束缚准粒子的存在在多大程度上减缓了局域可观测量的热化过程？
• RQ4 双扭结模型在多大程度上准确捕捉了长程相互作用诱导束缚现象的本质物理？
• RQ5 这些现象在当前离子阱量子模拟器中可通过何种方式实现实验探测？

主要发现

• 长程相互作用诱导出束缚势，将扭结-反扭结对束缚成稳定的准粒子态，类似于高能物理中的介子束缚态。
• 全局淬火后序参量的傅里叶谱显示出明显的峰，直接对应于束缚准粒子的质量。
• 双扭结模型成功预测了这些束缚态的质量，为理解束缚机制提供了定量框架。
• 由于存在长寿命的准粒子激发，某些初态导致一阶可观测量的热化过程变慢。
• 理论预测可直接应用于当前的离子阱量子模拟实验，为观测提供了清晰的实验路径。