[论文解读] Probing quench dynamics across a quantum phase transition into a 2D Ising antiferromagnet

Elmer Guardado-Sanchez, Peter Brown+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2017

Quantum many-body systems参考文献 68被引用 54

一句话总结

本论文在实验上研究了在近乎无缺陷的 Li-6 原子阵列耦合到一个低激发的 Rydberg 态实现的二维量子 Ising 模型中的淬火动力学，分析跨越参数磁体–反铁磁体转变的突发与慢速淬火，并与 NLCE 与精确对角化进行比较。

ABSTRACT

Simulating the real-time evolution of quantum spin systems far out of equilibrium poses a major theoretical challenge, especially in more than one dimension. We experimentally explore the dynamics of a two-dimensional Ising spin system with transverse and longitudinal fields as we quench it across a quantum phase transition from a paramagnet to an antiferromagnet. We realize the system with a near unit-occupancy atomic array of over 200 atoms obtained by loading a spin-polarized band insulator of fermionic lithium into an optical lattice and induce short-range interactions by direct excitation to a low-lying Rydberg state. Using site-resolved microscopy, we probe the correlations in the system after a sudden quench from the paramagnetic state and compare our measurements to exact calculations in the regime where it is possible. We achieve many-body states with longer-range antiferromagnetic correlations by implementing a near-adiabatic quench and study the buildup of correlations as we cross the quantum phase transition at different rates.

研究动机与目标

• 理解超越一维与平衡的量子自旋系统实时动力学的动机与目标。
• 在近乎单占用的原子阵列中实现通过 Rydberg 介导的最近邻相互作用的二维 Ising 模型。
• 使用突发与慢速淬火探究从 paramagnet 到 antiferromagnet 的转变中的淬火动力学。
• 测量位点分辨的自旋相关性并与最先进的数值方法进行比较。

提出的方法

• 实现通过Li-6原子耦合到23P Rydberg态来实现翻转场和纵向场的二维量子 Ising 模型。
• 使用来自简并 Li-6 气体的几乎单占用二维晶格加载，形成占据率为95.7%的6光环。
• 模型哈密顿量 H = Ω sum_i S_i^x + sum_i (I_i − Δ) S_i^z + sum_{i≠j} (V_ij/2) S_i^z S_j^z 其中 V_ij = C6/|r_i−r_j|^6。
• 从位点分辨的图像中提取自旋相关量 C(r) = 4[⟨S_i^z S_{i+r}^z⟩ − ⟨S_i^z⟩⟨S_{i+r}^z⟩]。
• 将短时动力学与 NLCE（11 阶）和 4×4 晶格的精确对角化进行比较，拟合 C6 与探测尺度 α。
• 进行更长的、近绝热的淬火以建立更长距离的反铁磁相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 跨越二维 Ising 转变的淬火动力学在最近邻和次最近邻自旋相关性上如何表现？
• RQ2 在二维由 Rydberg 介导的相互作用下，NLCE 与精确对角化在多大程度上能够捕捉观测到的动力学？
• RQ3 淬火速率对反铁磁相关性的发展与范围有何影响？
• RQ4 近似绝热的坡道是否能够产生更长距离的相关性？慢淬火受去相干性的限制有哪些？

主要发现

• 突发淬火在调理 Δ 时最近邻相关性出现符号变化。
• NLCE（11 阶）和精确对角化与短时数据一致，得到 C6/h ≈ −1.1(1) MHz μm^6 和 α ≈ 0.89(1)。
• 更长的淬火揭示了具有零点穿越的最近邻之外的相关性，挑战超出 12 阶 NLCE 的收敛性。
• 较慢的淬火建立了更长距离的反铁磁相关性，但去相干性变得显著，降低了峰值相关性。
• 在慢速坡道结束附近观察到相关性按距离呈指数衰减，相关长度 ξ 的范围约为 ~0.74–1.9 a_l。
• 3×3 子系统配置的概率显示在坡道结束前后反铁磁态成为最可能状态。