[论文解读] Controlling local thermalization dynamics in a Floquet-engineered dipolar ensemble

Leigh S. Martin, Hengyun Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2022

Quantum many-body systems被引用 4

一句话总结

本研究通过DROID-R2D2脉冲序列，在Floquet工程化的偶极自旋系综中实现了对局域热化动力学的调控，有效抑制了无序与相互作用引起的误差。通过调节z帧中的脉冲间距，研究人员构建了XXZ哈密顿量，并观察到守恒律——尤其是海森堡点处的SU(2)对称性——导致衰减速率出现下凹，且关联衰减形状被拉伸，为相干动力学与非流体动力学弛豫提供了直接证据。

ABSTRACT

Understanding the microscopic mechanisms of thermalization in closed quantum systems is among the key challenges in modern quantum many-body physics. We demonstrate a method to probe local thermalization in a large-scale many-body system by exploiting its inherent disorder, and use this to uncover the thermalization mechanisms in a three-dimensional, dipolar-interacting spin system with tunable interactions. Utilizing advanced Hamiltonian engineering techniques to explore a range of spin Hamiltonians, we observe a striking change in the characteristic shape and timescale of local correlation decay as we vary the engineered exchange anisotropy. We show that these observations originate from the system's intrinsic many-body dynamics and reveal the signatures of conservation laws within localized clusters of spins, which do not readily manifest using global probes. Our method provides an exquisite lens into the tunable nature of local thermalization dynamics, and enables detailed studies of scrambling, thermalization and hydrodynamics in strongly-interacting quantum systems.

研究动机与目标

• 通过Floquet工程在无序偶极自旋系统中实现对局域热化动力学的控制。
• 通过先进的脉冲序列设计，抑制多体自旋动力学中的无序与相互作用引起的误差。
• 通过调节XXZ各向异性参数，探究守恒律与相干相互作用在非平衡弛豫中的作用。
• 通过实验关联函数与数值模拟，验证局域热化的理论模型。
• 证明在海森堡点处的SU(2)对称性会在衰减动力学中产生独特且可观测的特征。

提出的方法

• 采用DROID-R2D2 Floquet脉冲序列，在金刚石中的氮-vacancy（NV）中心系综中工程化目标XXZ哈密顿量。
• 使用12 GS/s的任意波形发生器，精确施加关于x、y和z轴的π/2和π脉冲以实现该序列。
• 通过调节z帧中脉冲间距（2–70 ns）并保持总Floquet周期固定在1702 ns，实现XXZ哈密顿量的工程化。
• 采用子采样技术，在分数个Floquet周期内测量关联函数，以克服快速退相干。
• 通过方差减法与归一化处理的量子态层析技术，提取精确的自旋关联函数。
• 结合解析计算与团簇动力学平均场理论（cDMFT），对自旋对动力学进行建模，并与实验数据对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 调节XXZ各向异性参数如何影响无序偶极自旋系统中的局域热化动力学？
• RQ2 守恒律——特别是SU(2)对称性——在自旋关联衰减中扮演何种角色？
• RQ3 能否在实验中观测到相干相互作用与非流体动力学弛豫，并将其与平均场行为区分开来？
• RQ4 在强无序条件下，Magnus展开中的高阶项如何影响哈密顿量工程的保真度？
• RQ5 最小模型如各向异性Sachdev-Ye模型与cDMFT在多大程度上能捕捉到实验观测到的动力学行为？

主要发现

• DROID-R2D2序列成功抑制了主导阶无序与相互作用伪影，实现了XXZ哈密顿量的高保真工程化。
• 在海森堡点（XXZ各向异性参数g_z = g_x）处，观察到自旋关联衰减速率的显著下凹，表明存在SU(2)对称性及其关联的X守恒。
• 在海森堡点处，衰减形状表现出拉伸行为，与无流体动力学及守恒律影响一致。
• 数值模拟表明，在相图的易平面侧，全局与局部弛豫时间尺度的比值显著降低，支持守恒律的作用。
• 对自旋对动力学的解析计算显示，关联的早期衰减与时间呈线性关系，F(τ) ≈ (64/(9√3))J|τ|，证实了相干交换动力学。
• 动力学平均场理论无法再现海森堡点处的下凹特征，强烈表明观测到的行为源于非局域守恒律，而非局域平均场效应。