[论文解读] Signatures of bath-induced quantum avalanches in a many-body--localized system

Julian Léonard, Sooshin Kim+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 6

一句话总结

本研究通过将多体局域化（MBL）系统与可调谐热浴耦合，实验演示了浴诱导的量子雪崩现象。利用冷原子量子模拟器中的位点分辨测量，作者观察到粒子输运加速进入MBL区域、逐位点热化以及非局域多体关联——这些是受非微扰多体动力学驱动的量子雪崩的关键特征。

ABSTRACT

Strongly correlated systems can exhibit surprising phenomena when brought in a state far from equilibrium. A spectacular example are quantum avalanches, that have been predicted to run through a many-body--localized system and delocalize it. Quantum avalanches occur when the system is locally coupled to a small thermal inclusion that acts as a bath. Here we realize an interface between a many-body--localized system and a thermal inclusion of variable size, and study its dynamics. We find evidence for accelerated transport into the localized region, signature of a quantum avalanche. By measuring the site-resolved entropy we monitor how the avalanche travels through the localized system and thermalizes it site by site. Furthermore, we isolate the bath-induced dynamics by evaluating multipoint correlations between the bath and the system. Our results have fundamental implications on the robustness of many-body--localized systems and their critical behavior.

研究动机与目标

• 研究当多体局域化系统与可变尺寸的热浴耦合时的动力学行为。
• 探测由浴耦合触发的非微扰、扩展化过程——即量子雪崩的出现。
• 表征局域化区域内的位点分辨热化与输运动力学。
• 将浴诱导的多体关联作为非局域纠缠驱动雪崩传播的证据加以分离。
• 确定量子雪崩启动、加速并使MBL系统热化的条件。

提出的方法

• 在二维光晶格中实现一维Mott绝缘体，具有位点分辨的随机势和可调的洁净（热）区域。
• 通过突然开启整个系统的隧穿实现量子淬火，引发非平衡动力学。
• 利用荧光成像测量位点分辨的原子数分布，并提取每粒子的局域熵。
• 通过密度关联衰减长度ξd量化粒子输运，追踪其随时间与浴尺寸的变化。
• 测量三点关联函数⟨n_i n_j n_k⟩_c，以探测浴与局域化位点之间的非局域纠缠。
• 将实验数据与无自由参数的精确数值模拟进行比较，以验证雪崩特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 热浴尺寸如何影响MBL系统中量子雪崩的启动与传播？
• RQ2 在局域化区域内，加速粒子输运与逐位点热化的特征表现为何？
• RQ3 非局域多体关联（超越费米黄金法则）在多大程度上驱动雪崩动力学？
• RQ4 局域化长度与浴诱导的弛豫速率如何随系统尺寸与无序强度变化？
• RQ5 在何种无序强度下量子雪崩达到峰值，其与MBL相变临界点的关系如何？

主要发现

• 密度关联的衰减长度ξd随演化时间增加，表现出从对数增长到加速增长的转变，表明雪崩动力学。
• 当L_clean = 6时，经过100τ后ξd超过孤立MBL系统的局域化长度，证实雪崩的启动。
• 位点分辨熵测量显示，无序位点的热化存在延迟，且延迟时间随距离界面的距离呈指数增加。
• 三点关联函数⟨n_i n_j n_dis⟩_c在洁净区域内部均匀分布，表明集体扩展进入MBL相。
• 关联函数⟨n_i n_j n_clean⟩_c在靠近界面的无序位点处达到峰值，而在远处位点则消失，表明雪崩传播具有局域性。
• 最大多体关联出现在中等无序强度下，接近估计的MBL相变临界点。