[论文解读] Observation of a Dynamical Phase Transition in the Collective Heisenberg Model

Scott Smale, Peiru He+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

本研究在基于超冷费米钾原子的量子模拟器中观测到一种动力学相变，其中铁磁有序态在非均匀轴向磁场作用下演化为去磁化态。利用谐振子势阱中的自旋-1/2费米子模拟集体海森堡模型，实验展示了可逆动力学，并验证了该系统作为量子计量学和多体量子技术平台的潜力。

ABSTRACT

Ultracold atoms, benefiting from long-lived coherence and controllable interactions, offer an ideal system to shed light on the organizing principles of out-of-equilibrium quantum systems. Here, we investigate a dynamical phase transition from a state with ferromagnetic order to a demagnetized state in a quantum simulator of the collective Heisenberg model with an inhomogeneous axial field. Two hyperfine states of fermionic potassium atoms encode the spin degrees of freedom, while single-particle oscillator modes serve as lattice sites. We benchmark the simulator using detailed comparisons to theory and by testing the reversibility of the collective dynamics. Our observations open a route for applications of large controllable fermionic ensembles to enhanced metrology and quantum technologies.

研究动机与目标

• 利用超冷原子研究可控多体系统中的非平衡量子动力学。
• 在集体海森堡模型的量子模拟器中，观测从铁磁序到去磁化态的动力学相变。
• 通过详细比较和可逆性测试，将模拟器与理论预测进行基准测试。
• 探索大费米子系综在增强量子计量学和量子技术方面的潜力。

提出的方法

• 利用费米钾-40原子的两个超精细态编码自旋-1/2自由度。
• 在谐振子势阱中利用单粒子振子模式作为晶格位点，实现集体海森堡模型。
• 施加非均匀轴向磁场，驱动系统从铁磁初始态演化至去磁化态。
• 通过测量自旋关联和磁化的时间演化，探测动力学相变。
• 进行详细的理论比较，并通过可逆性测试验证集体动力学的保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有非均匀轴向磁场的集体海森堡模型是否表现出从铁磁序到去磁化态的动力学相变？
• RQ2 超冷费米原子在多大程度上能精确模拟集体海森堡模型的动力学？
• RQ3 集体动力学的可逆性程度如何，这对模拟器保真度意味着什么？
• RQ4 该系统能否作为增强量子计量学和量子技术的平台？

主要发现

• 在量子模拟器中清晰观测到从铁磁态到去磁化态的动力学相变。
• 观测到的动力学与理论预测高度一致，验证了模拟器的准确性。
• 实验确认了集体动力学的可逆性，表明控制和相干性具有高保真度。
• 该系统表现出长寿命的相干性与可控的相互作用，这对模拟非平衡量子现象至关重要。