[论文解读] Detecting a long lived false vacuum with quantum quenches

Gianluca Lagnese, Federica Maria Surace+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2023

Theoretical and Computational PhysicsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文表明，在倾斜伊辛模型中，量子淬火在谱密度中展现出明显的动力学特征，可诊断系统是否处于真实真空或寿命极长的虚假真空，即使衰变时间长到天文数字。关键发现是，亚临界泡的动力学会在磁化强度的傅里叶变换中留下可测量的、与时间尺度相关的印记，从而在衰变发生前即可实现对亚稳态的早期探测。

ABSTRACT

Distinguishing whether a system supports alternate low-energy (locally stable) states -- stable (true vacuum) versus metastable (false vacuum) -- by direct observation can be difficult when the lifetime of the state is very long but otherwise unknown. Here we demonstrate, in a tractable model system, that there are physical phenomena on much shorter time scales that can diagnose the difference. Specifically, we study the time evolution of the magnetization following a quench in the tilted quantum Ising model, and show that its magnitude spectrum is an effective diagnostic. Small transition bubbles are more common than large ones, and we see characteristic differences in the size dependence of bubble lifetimes even well below the critical size for false vacuum decay. We expect this sort of behavior to be generic in systems of this kind. We show such signatures persist in a continuum field theory. This also opens the possibility of similar signatures of the potential metastable false vacuum of our universe well before the beginning of a decay process to the true vacuum.

研究动机与目标

• 解决在衰变时间长到难以忍受时，实验上区分长寿命虚假真空与真实真空的挑战。
• 探索非平衡量子淬火动力学是否能在实际衰变发生前揭示亚稳态的特征。
• 确立淬火后实时演化中谱特征可诊断虚假真空的存在。
• 将该方法推广至连续场论及如里德堡原子阵列等实验平台。
• 研究亚临界、虚幻泡在可访问时间尺度上产生可观测动力学效应的作用。

提出的方法

• 在具有倾斜纵向场的横场伊辛模型中执行量子淬火，突然改变哈密顿量参数 $ h_z $ 跨越一级相变点。
• 将系统初始化为自旋极化态 ($\ket{\psi_\downarrow}$)，随后在虚时演化中制备 $ h_z = 0 $ 时的基态，对应负磁化的铁磁相。
• 从此状态出发，以 $ h_z > 0 $（真实真空）或 $ h_z < 0 $（虚假真空）开始实时间的突然演化，使用时间演化薛定谔方程。
• 计算局域磁化强度 $ \langle S_z(t) \rangle = \frac{1}{2N} \sum_i \langle \psi(t) | \sigma_i^z | \psi(t) \rangle $ 的时间演化，并分析其傅里叶变换 $ S_z(\omega) $ 以提取谱特征。
• 通过约旦-维尔纳变换将自旋模型映射为二次费米子哈密顿量，从而实现谱函数的解析与数值处理。
• 分析不同泡尺寸与淬火参数下的谱密度，重点关注寿命的尺寸依赖性以及不同振荡模式的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子淬火动力学是否能在不等待实际衰变的情况下揭示长寿命虚假真空的存在？
• RQ2 亚临界、虚幻泡——那些小到无法发生膨胀的泡——是否会在谱响应中产生可测量的动力学特征？
• RQ3 真实真空与虚假真空初始态下，磁化强度时间演化谱特征有何不同？
• RQ4 这些特征能否推广至连续场论及超冷原子或囚禁离子等实验平台？
• RQ5 泡的尺寸与形状在决定非平衡动力学中寿命与谱响应方面起什么作用？

主要发现

• 时间演化磁化强度的傅里叶变换在谱密度中揭示出明显不同的振荡模式，可清晰区分真实真空（单个主峰）与虚假真空（多个与尺寸相关的模式）。
• 亚临界泡——即小于发生失控膨胀临界尺寸的泡——仍会在谱函数中产生可测量的瞬态振荡，其寿命以特征方式依赖于其尺寸。
• 谱响应表明，小泡比大泡更常见，且即使远低于临界尺寸，其寿命也表现出非单调的尺寸依赖性。
• 这些动力学特征在模型的连续极限中依然存在，表明该机制具有鲁棒性，而非晶格离散化的产物。
• 该方法可在实验可访问的时间尺度内检测虚假真空亚稳态，远短于虚假真空衰变时间。
• 该方法可推广至其他系统，包括里德堡原子阵列与量子模拟器，其中此类特征可在当前实验中探测。