[论文解读] Non-stationary dynamics and dissipative freezing in squeezed superradiance

Carlos Sánchez Muñoz, Berislav Buča+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

本文研究了具有压缩集体辐射衰减的相干驱动自旋系综中的非平稳动力学与耗散冻结现象，揭示了与无能隙李普希利安谱相关的临界非平衡相。研究表明，耗散冻结源于强对称性，导致量子轨迹无论系统尺寸如何，均选择并保持在单一对称性子空间中；而非平稳动力学则通过热力学极限下实部趋近零、虚部非零的本征值出现。

ABSTRACT

In this work, we study the driven-dissipative dynamics of a coherently-driven spin ensemble with a squeezed, superradiant decay. This decay consists of a sum of both raising and lowering collective spin operators with a tunable weight. The model presents different critical non-equilibrium phases with a gapless Liouvillian that are associated to particular symmetries and that give rise to distinct kinds of non-ergodic dynamics. In Ref. [1] we focus on the case of a strong-symmetry and use this model to introduce and discuss the effect of dissipative freezing, where, regardless of the system size, stochastic quantum trajectories initialized in a superposition of different symmetry sectors always select a single one of them and remain there for the rest of the evolution. Here, we deepen this analysis and study in more detail the other type of non-ergodic physics present in the model, namely, the emergence of non-stationary dynamics in the thermodynamic limit. We complete our description of squeezed superradiance by analysing its metrological properties in terms of spin squeezing and by analysing the features that each of these critical phases imprint on the light emitted by the system.

研究动机与目标

• 表征具有压缩集体辐射衰减的驱动-耗散自旋系综的非平衡相图。
• 研究无能隙李普希利安谱在实现非遍历动力学（包括耗散冻结与非平稳行为）中的作用。
• 将李普希利安谱与可测量的发射谱及自旋压缩等计量学性质相联系。
• 建立耗散冻结与量子轨迹热力学中的一阶相变之间的联系。
• 证明有限尺寸系统可表现出通常仅在热力学极限下才出现的临界现象，从而实现实验探测。

提出的方法

• 使用包含升降算符的压缩集体衰减通道的林德布拉德主方程建模系统。
• 通过分析李普希利安超算符的谱，识别出实部趋近零、虚部非零的临界相。
• 采用量子跃迁形式模拟随机量子轨迹，观察耗散冻结的出现。
• 利用李普希利安的左、右本征矢推导荧光谱表达式，将谱特征与本征值结构相联系。
• 使用自旋压缩作为计量学探针，评估系统在相变附近的灵敏度与临界行为。
• 将发射谱中δ-峰的出现与实部为零、虚部非零的本征值相联系，这些峰在有限探测带宽下展宽为可观测的边带峰。

实验结果

研究问题

• RQ1 驱动与压缩耗散之间的相互作用如何在开放量子多体系统中导致非遍历动力学？
• RQ2 强对称性在有限尺寸系统中量子轨迹的耗散冻结现象中起何种作用？
• RQ3 实部趋近零、虚部非零的李普希利安本征值如何在发射谱与时间关联中体现？
• RQ4 发射光的谱特征如何反映系统内在的临界性与相变行为？
• RQ5 具有无能隙李普希利安的有限尺寸系统是否可表现出热力学尺度临界行为的特征，如线宽压缩与边带峰？

主要发现

• 系统表现出一种临界相，其李普希利安谱无能隙，本征值实部趋近零、虚部非零，导致热力学极限下出现非平稳动力学。
• 在量子轨迹中观察到耗散冻结：无论系统尺寸如何，初始处于对称性子空间叠加态的轨迹均会动态选择并保持在单一子空间中，归因于强对称性保护。
• 荧光谱在对应于实部为零的本征值频率处呈现δ-峰，当引入有限探测带宽时，这些峰展宽为可观测的边带峰。
• 在铁磁-热相中，李普希利安能隙以1/N的速率闭合，实验上通过随系统尺寸增大而谱峰线宽减小得到验证。
• 当调节压缩角θ进入热相时，荧光谱中出现边带峰，标志李普希利安能隙的关闭。
• 该模型使实验能够探测有限系统中线宽压缩与无能隙模的光谱特征等临界现象，这些现象与李普希利安谱及量子轨迹热力学紧密关联。