[论文解读] Tunable Non-equilibrium Phase Transitions between Spatial and Temporal Order through Dissipation

Zhao Zhang, Davide Dreon+4 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在耗散光学腔中驱动的量子气体，其在空间序（空间晶格）与时空序（耗散性时空晶格）之间表现出可调的非平衡相变，该相变由腔-激光失谐控制。耗散诱导了持续振荡与时间晶体化，原子因动量守恒的损耗而经历超弹道加速，该现象通过平均场理论与SU(3) Holstein-Primakoff映射得以验证。

ABSTRACT

We propose an experiment with a driven quantum gas coupled to a dissipative optical cavity that realizes a novel kind of far-from-equilibrium phase transition between spatial and temporal order. The control parameter of the transition is the detuning between the drive frequency and the cavity resonance. For negative detunings, the system features a spatially ordered phase, while positive detunings lead to a phase with both spatial order and persistent oscillations, which we call dissipative spatio-temporal lattice. We give numerical and analytical evidence for this superradiant phase transition and show that the spatio-temporal lattice originates from cavity dissipation. In both regimes the atoms are subject to an accelerated transport, either via a uniform acceleration or via abrupt transitions to higher momentum states. Our work provides perspectives for temporal phases of matter that are not possible at equilibrium.

研究动机与目标

• 在量子系统中实现一种新型远离平衡的相变，介于空间序与时间序之间。
• 证明耗散可在量子多体系统中诱导持续振荡与时间晶体化。
• 表明该相变可通过驱动频率与腔共振之间的失谐进行调控。
• 识别出一种非平衡下不可达的新物相——耗散性时空晶格。
• 建立通过工程化耗散与动量传递实现超弹道原子输运的机制。

提出的方法

• 一维玻色-爱因斯坦凝聚体与一个具有损耗的光学腔耦合，并由横向行波激光驱动。
• 系统通过从完整多体哈密顿量经模式截断与SU(3)施温格玻色子映射推导出的三模Dicke类哈密顿量进行建模。
• 利用平均场理论与大N极限下二次Lindblad主方程的精确解分析动力学。
• 应用广义的Holstein-Primakoff变换将自旋算符映射为玻色模式，从而实现对完整非平衡动力学的解析处理。
• 通过改变失谐Δc与泵浦强度ηp探索相图，稳定性通过Liouvillian超算符的线性响应与本征值分析进行评估。
• 序参量定义为腔场振幅α(t)的傅里叶变换，可通过光子泄漏直接测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在非平衡量子系统中实现空间序与时间序之间的相变？
• RQ2 腔的耗散如何促成持续振荡与时间晶体化的出现？
• RQ3 激光与腔频率之间的失谐在调控物质相中起什么作用？
• RQ4 尽管存在晶格，该系统如何支持超弹道原子输运？
• RQ5 驱动空间晶格与时空晶格相之间相变的不稳定性本质是什么？

主要发现

• 对于负失谐（Δc < 0），系统形成空间序相，具有稳定的腔场，对应于超辐射空间晶格。
• 对于正失谐（Δc > 0），出现耗散性时空晶格，表现为腔场与原子动量态的持续振荡。
• 该相变由失谐的符号驱动，在Δc = 0处出现能级交叉，标志系统不稳定性结构的改变。
• 原子因动量守恒的损耗而经历超弹道加速，加速度与腔衰减率κ成正比。
• 该相变被证明是量子Zeno动力学的表现，通过大κ极限下Liouvillian的本征值分析得以证实。
• 数值模拟与基于SU(3) Holstein-Primakoff变换的解析解证实了两相的稳定性和本质，且在大N极限下可获得精确解。