[论文解读] Observation of discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body system

Soonwon Choi, Joonhee Choi+12 more|RePEc: Research Papers in Economics|Oct 25, 2016

Theoretical and Computational Physics被引用 13

一句话总结

本研究首次在室温下对由氮空位（NV）中心组成的大型无序偶极自旋系统中实验观测到离散时间晶体（DTC）序。通过周期性微波驱动，研究人员在驱动周期的整数倍处观测到长寿命的次谐波时间关联，证明了即使在缓慢热化和强长程相互作用下，DTC序仍具有鲁棒性，这挑战了基于局域化或预热化理论的现有预期。

ABSTRACT

Understanding quantum dynamics away from equilibrium is an outstanding challenge in the modern physical sciences. It is well known that out-of-equilibrium systems can display a rich array of phenomena, ranging from self-organized synchronization to dynamical phase transitions. More recently, advances in the controlled manipulation of isolated many-body systems have enabled detailed studies of non-equilibrium phases in strongly interacting quantum matter. As a particularly striking example, the interplay of periodic driving, disorder, and strong interactions has recently been predicted to result in exotic "time-crystalline" phases, which spontaneously break the discrete time-translation symmetry of the underlying drive. Here, we report the experimental observation of such discrete time-crystalline order in a driven, disordered ensemble of $\sim 10^6$ dipolar spin impurities in diamond at room-temperature. We observe long-lived temporal correlations at integer multiples of the fundamental driving period, experimentally identify the phase boundary and find that the temporal order is protected by strong interactions; this order is remarkably stable against perturbations, even in the presence of slow thermalization. Our work opens the door to exploring dynamical phases of matter and controlling interacting, disordered many-body systems.

研究动机与目标

• 在强相互作用、无序的多体量子系统中实验观测离散时间晶体（DTC）序。
• 探究DTC序是否可在无需精细调节局域化或无序的系统中出现，特别是存在长程偶极相互作用时。
• 在包括缓慢热化和环境耦合在内的实际条件下，探测DTC序的稳定性和寿命。
• 挑战现有理论框架，这些框架预测DTC序仅在局域化或预热化系统中出现。
• 探索此类系统在实现新型动力学量子相及在量子计量学中应用的潜力。

提出的方法

• 利用由合成金刚石制成的纳米梁中高密度（~10^6）氮空位（NV）中心自旋杂质集合体。
• 通过可变脉冲持续时间τ₁和θ-脉冲的全局自旋旋转序列（Floquet周期），施加周期性微波驱动以构建时间周期性哈密顿量。
• 使用激光激发和微波脉冲实现NV自旋态的光学初始化、相干操控和读出。
• 在Floquet周期重复n次后测量时间分辨自旋极化P(nT)，以检测驱动周期整数倍处的次谐波响应。
• 通过分析极化信号的傅里叶谱，识别出在ν = 1/3、1/2及其他分数处的强峰，表明存在DTC序。
• 系统性地改变相互作用时间τ₁和脉冲角度θ，以绘制相边界并评估对微扰的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在具有长程偶极相互作用的宏观无序多体系统中观测到离散时间晶体序？
• RQ2 在缺乏多体局域化的情况下，DTC序是否稳定，特别是在系统表现出缓慢热化时？
• RQ3 强相互作用和无序在抑制微扰和环境耦合影响方面起到何种作用以稳定DTC序？
• RQ4 在预期不会局域化的系统中，DTC序是否可超越预热化时间尺度而持续存在？
• RQ5 该系统的实验行为与基于局域化或预热化理论框架的预测相比有何偏离？

主要发现

• 实验在基本驱动周期的整数倍处观测到长寿命的时间关联，自旋极化傅里叶谱中在ν = 1/3处出现强峰，表明存在DTC序。
• DTC序的持续时间仅受自旋弛豫时间T₁^ρ限制，表明其对退相干和微扰具有极强的稳定性。
• 在强相互作用（τ₁ = 387 ns）条件下，即使在高达17%的微扰下，ν = 1/3处的DTC峰仍保持钉扎，表现出类似拓扑保护的特性。
• 观测到的DTC序无法用基于多体局域化或预热化的现有理论解释，因为系统表现出临界、亚扩散动力学。
• 由于临界热化过程缓慢，系统未达到预热化态，表明出现了一种超越现有理论模型的新动力学相。
• DTC序对初始极化状态不敏感，表明其并非瞬态效应，而是稳定、集体的响应。