[论文解读] Nonequilibrium phase transition in a driven-dissipative quantum antiferromagnet

Mona H. Kalthoff, Dante M. Kennes+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

Strong Light-Matter Interactions参考文献 67被引用 8

一句话总结

本文通过数值模拟研究了驱动耗散二维海森堡反铁磁体中的非平衡相变。研究识别出一种非热亚热到超热相变，其特征是自旋波分布发生定性变化——在低驱动下为亚热分布，而在高驱动下转变为具有宏观凝聚态的一般玻色-爱因斯坦分布形式，通过有限尺寸分析揭示了临界标度和临界慢化现象。

ABSTRACT

A deeper theoretical understanding of driven-dissipative interacting systems and their nonequilibrium phase transitions is essential both to advance our fundamental physics understanding and to harness technological opportunities arising from optically controlled quantum many-body states. This paper provides a numerical study of dynamical phases and the transitions between them in the nonequilibrium steady state of the prototypical two-dimensional Heisenberg antiferromagnet with drive and dissipation. We demonstrate a nonthermal transition that is characterized by a qualitative change in the magnon distribution, from subthermal at low drive to a generalized Bose-Einstein form including a nonvanishing condensate fraction at high drive. A finite-size analysis reveals static and dynamical critical scaling at the transition, with a discontinuous slope of the magnon number versus driving field strength and critical slowing down at the transition point. Implications for experiments on quantum materials and polariton condensates are discussed.

研究动机与目标

• 理解驱动耗散量子多体系统中的非平衡相变，特别是量子自旋系统中的相变。
• 研究非热稳态中激发分布发生定性改变（与平衡态不同）的出现机制。
• 表征一种不同于对称性破缺相变的新型亚热到超热相变。
• 通过有限尺寸分析建立相变点处的临界标度行为和动力学特征。
• 为解释量子材料和极化子凝聚态中的实验观测提供微观理论框架。

提出的方法

• 采用非平衡动力学平均场理论方法，对驱动耗散二维海森堡反铁磁体进行数值模拟。
• 通过等距能量区间将动量空间映射到能量网格，以高效计算散射过程。
• 通过按能量对动量进行分箱，识别满足能量和动量守恒的动量四元组，并通过对称化处理以保证细致平衡。
• 使用两步阿达姆斯-巴什福斯线性多步法积分自旋波分布函数的时间演化。
• 通过使用对称化相互作用顶点计算顶点修正和散射积分，以保持粒子数和能量守恒。
• 通过有限尺寸标度分析提取相变点处的静态和动力学临界指数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在驱动耗散量子反铁磁体中是否存在一种与平衡态对称性破缺相变不同的非平衡相变？
• RQ2 随着驱动强度增加，自旋波分布函数如何从亚热行为演变为超热行为？
• RQ3 该相变相关的临界标度行为（静态与动力学）是什么？
• RQ4 由于非热激发分布，是否可能在非平衡稳态中出现宏观凝聚分数？
• RQ5 相互作用以及能量从驱动源到热库的流动如何影响稳态相图的性质？

主要发现

• 识别出一种非热亚热到超热相变，其特征是在临界点处自旋波数目与驱动强度的关系曲线上出现斜率的不连续。
• 在高驱动下，自旋波分布呈现为广义玻色-爱因斯坦分布形式，且具有非零凝聚分数，表明存在宏观量子相干性。
• 有限尺寸分析揭示了静态临界标度行为（关联长度发散）和动力学临界慢化现象。
• 当 g = 1, 1/S = 0 时，相变点对应于相图中的临界终点，标志着亚热与超热区域的边界。
• 系统表现出临界慢化，表现为在相变附近弛豫时间急剧增加，证实了临界动力学的存在。
• 相图中存在一条临界线，将有序与无序的亚热相分开，而 g = 1, 1/S = 0 处的临界终点是二维海森堡反铁磁体的独有特征。