[论文解读] First order phase transitions in optical lattices with tunable three-body onsite interaction

Arghavan Safavi-Naini, Javier von Stecher+2 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Feb 14, 2012

Climate Change and Environmental Impact参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文通过射频场将三重占据位点耦合至一个通用三体束缚态，在光晶格中的二维超冷玻色子系统中提出了一种可调的三体局域相互作用。利用平均场理论和量子蒙特卡罗模拟，研究发现当三体相互作用足够吸引时（|U₃| > U），n=2的莫特绝缘体lobe会消失，并在n=1和n=3莫特绝缘体之间以及这些绝缘体与超流相之间出现一阶相变，即使在T ∼ J的有限温度下依然成立。在T ∼ J时，相变仍保持一阶特征，其关键实验信号为具有迟滞特性的密度响应。

ABSTRACT

We study the two-dimensional Bose-Hubbard model in the presence of a three-body interaction term, both at a mean field level and via quantum Monte Carlo simulations. The three-body term is tuned by coupling the triply occupied states to a trapped universal trimer. We find that, for sufficiently attractive three-body interaction the n = 2 Mott lobe disappears and the system displays first order phase transitions separating the n = 1 from the n = 3 lobes, and the n = 1 and n = 3 Mott insulator from the superfluid. We have also analyzed the effect of finite temperature and found that transitions are still of first order at temperatures T\simJ where J is the hopping matrix element.

研究动机与目标

• 研究可调、吸引性的三体局域相互作用对二维玻色-哈伯德模型相图的影响。
• 提出一种物理上可实现的机制，利用射频场耦合至激发超精细态中的通用三体束缚态，以实现此类相互作用。
• 确定三体相互作用如何改变莫特绝缘体到超流相变的序，并判断在n=1和n=3莫特绝缘体lobe之间是否会出现一阶相变。
• 分析有限温度下一阶相变的持续性，以利于实验观测。

提出的方法

• 引入一个修改后的玻色-哈伯德哈密顿量，其中包含仅作用于三重占据位点的可调三体局域相互作用项U₃，形式为H = -J∑⟨i,j⟩aᵢ†aⱼ + ∑ᵢ[½Unᵢ(nᵢ-1) + δₙᵢ,₃U₃ - μnᵢ]。
• 采用平均场Gutzwiller方法研究相图，特别关注U₃ < 0且|U₃| > U的区域，此时预计n=2莫特绝缘体lobe将消失。
• 在正方晶格上进行量子蒙特卡罗（QMC）模拟，系统尺寸最大达L=30，β = L/J以模拟零温行为，并验证平均场预测。
• 通过来回扫掠化学势μ进行迟滞分析，利用粒子数密度的不连续跳跃来识别一阶相变。
• 通过QMC在T ∼ J的有限温度下研究温度效应，通过监测密度分布和相变特征评估一阶相变的稳定性。
• 讨论实验可行性，强调迟滞密度响应和绝热性丧失作为一阶相变的可探测实验信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过射频场与通用三体束缚态的耦合，在超冷原子系统中工程实现可调、吸引性的三体局域相互作用？
• RQ2 在二维玻色-哈伯德模型中引入三体相互作用项U₃后，相图如何改变，特别是莫特lobe的结构如何变化？
• RQ3 当n=2的lobe被抑制时，n=1和n=3莫特绝缘体相之间是否会出现直接的一阶相变？
• RQ4 在强三体吸引力存在下，有限温度对莫特绝缘体到超流相变的序有何影响？
• RQ5 是否可利用实验可观测量（如密度迟滞或绝热性丧失）来探测该系统中的一阶相变？

主要发现

• 当|U₃| > U时，n=2莫特绝缘体lobe消失，使得在有限跃迁积分下n=1与n=3莫特绝缘体相之间可实现直接的一阶相变。
• 量子蒙特卡罗模拟证实了n=1与n=3莫特绝缘体之间存在一阶相变，相变边界在相图中以虚线标示。
• 在n=1与n=3莫特绝缘体相与超流相之间也观察到一阶相变，化学势扫掠过程中粒子密度表现出迟滞行为。
• 通过平均场理论估算出三相共存点（即n=1、n=3与超流相共存）位于J/U = 0.05（当U₃ = -1.5U且z=4时）。
• 一阶相变在有限温度下持续存在，直至T ∼ J，QMC结果表明即使在T ∼ J时相变序仍保持一阶，此时莫特特征仍清晰可辨。
• 随着跃迁积分增加，n=1与n=3莫特绝缘体到超流相的转变分别在zJ/U ≈ 0.20 ± 0.02和0.133 ± 0.02处转为二阶相变。