Un quadro di fisica statistica può essere esteso all'ambiente di non equilibrio per scoprire fasi della materia precedentemente non identificate catalizzate da spinte periodiche. Gli scienziati mirano a ridurre il riscaldamento incontrollato associato alla guida di un sistema quantistico fortemente interattivo per studiare le fasi appena scoperte.

In un nuovo studio ora pubblicato su Scienza , A. Kyprianidis e un team di ricerca interdisciplinare negli Stati Uniti hanno utilizzato un simulatore quantistico per osservare le firme di una fase guidata dal non equilibrio senza disordine per formare un cristallo temporale discreto pretermico. Gli scienziati hanno superato il problema del riscaldamento utilizzando la guida ad alta frequenza per formare un'ampia finestra temporale per l'emergere di fasi di non equilibrio. Il team ha presentato la pretermalizzazione Floquet come una strategia generale per creare, stabilizzare e studiare fasi intrinsecamente fuori equilibrio della materia.

Guida periodica

Il pilotaggio periodico o la modulazione di un sistema è un metodo versatile che permette l'emergere di fenomeni che vanno dalla sincronizzazione parametrica alla stabilizzazione dinamica. Il metodo è stabile e fondamentale in campi dalla spettroscopia di risonanza magnetica nucleare all'elaborazione delle informazioni quantistiche. A un livello più fondamentale, l'azionamento periodico di Floquet fornisce anche un sistema con una discreta simmetria tempo-traslazionale, dove la simmetria può essere utilizzata per proteggere le fasi topologiche di Floquet appena scoperte o per formare un ordine tempo-cristallino.

Per realizzare fasi Floquet a molti corpi della materia, gli scienziati devono garantire che il sistema circostante non assorba energia dal campo di guida. In presenza di un azionamento periodico, Il riscaldamento Floquet può far avvicinare un generico sistema a molti corpi a un ordine non banale, che è seguito dalla caratterizzazione di una fase della materia per formare un comportamento allo stato stazionario. Convenzionalmente, gli scienziati possono affrontare il processo per prevenire il riscaldamento di Floquet sfruttando il forte disordine nella configurazione sperimentale, con un altro metodo, possono utilizzare una struttura priva di disturbi per affrontare queste sfide attraverso la pre-termalizzazione Floquet. Ulteriori simmetrie che sono protette dalla discreta simmetria tempo-traduzionale della pulsione possono emergere e portare a fasi intrinsecamente non di equilibrio della materia. Un esempio di una di queste fasi è il cristallo a tempo discreto pretermico (PDTC) in cui il sistema a molti corpi può portare allo sviluppo di una robusta risposta subarmonica. Di conseguenza, un cristallo a tempo discreto pretermico privo di disturbi ha mostrato una serie di differenze chiave discrete rispetto al cristallo a tempo discreto del sistema a molti corpi.

Kyprianidis et al. ha esplorato le interazioni spin-spin a lungo raggio di un simulatore quantistico per osservare le firme di un cristallo a tempo discreto pretermico unidimensionale. Gli scienziati hanno prima preparato una serie di stati iniziali localmente disomogenei, indirizzando individualmente gli ioni all'interno della catena unidimensionale. Hanno quindi caratterizzato le dinamiche di quench partendo da questi stati per osservare direttamente l'approccio allo stato pretermico per l'estrazione sperimentale del tempo di equilibrazione pretermico. Il team ha anche misurato la dinamica temporale della densità energetica in funzione della frequenza di guida e ha preparato gli stati vicino alla parte inferiore e superiore dello spettro per osservare la dinamica energetica della configurazione sperimentale. La scala temporale del riscaldamento è aumentata con la frequenza di guida e il team ha studiato la natura dell'ordine tempo-cristallino pretermico studiando la dinamica di Floquet di diversi stati iniziali di equilibrio e simmetria. Durante ulteriori esperimenti, Kyprianidis et al. identificato il confine di fase per il PDTC (cristallo a tempo discreto pretermico) osservando la durata dell'ordine tempo-cristallino in funzione della densità di energia dello stato iniziale.

Ordine tempo-cristallino

Nella configurazione sperimentale, una caratteristica cruciale dell'Hamiltoniana pretermale efficace (H _eff ) del sistema assicurava interazioni di Ising a lungo raggio per stabilizzare una fase ferromagnetica. A causa della natura antiferromagnetica delle interazioni, la fase non si è verificata a bassa densità di energia vicino alla parte inferiore dello spettro ma si è verificata ad alta densità di energia vicino alla parte superiore dello spettro. Gli scienziati hanno mostrato la dipendenza dalla frequenza della scala temporale del riscaldamento e la capacità di determinare la durata del cristallo temporale pretermico. L'ingrediente chiave alla base dell'ordine tempo-cristallino era la presenza di una simmetria emergente come diretta conseguenza del protocollo di guida periodica. Durante l'esperimento, la simmetria corrispondeva a un ribaltamento di spin globale, per suggerire che l'ordine tempo-cristallino è naturalmente facilitato dalla dinamica di magnetizzazione del setup sperimentale. Di conseguenza, ci sono due possibilità per la dinamica pre-termica a seconda della densità energetica del sistema. Ad esempio, se lo stato pretermico corrispondeva al paramagnete che rispetta la simmetria, la magnetizzazione può rimanere invariata per un periodo. Se lo stato pretermico corrispondeva a un ferromagnete diverso, la magnetizzazione può alternarsi. Le dinamiche subarmonica risultanti formano il segno distintivo di un cristallo temporale. I ricercatori hanno studiato i due regimi misurando l'autocorrelazione della magnetizzazione. Considerando due ulteriori stati iniziali, hanno esplorato la stabilità della fase PDTC in funzione della densità di energia.

Veduta

In questo modo, Kyprianidis et al. descrisse sia il tempo di riscaldamento che la durata dell'ordine tempo-cristallino. I risultati sono coerenti con un confine di fase che si verifica alla densità di energia in accordo con i calcoli numerici del Monte Carlo quantistico. Il team ha descritto l'osservazione sperimentale di un robusto comportamento tempo-cristallino pretermico che persisteva oltre le dinamiche transitorie del primo tempo. Anche in presenza di rumore, la dinamica pre-termica è rimasta stabile per suggerire che un bagno esterno a temperature sufficientemente basse può stabilizzare la dinamica pre-termica per tempi infinitamente lunghi. Ciò è in contrasto con gli approcci basati sulla localizzazione utilizzati per stabilizzare le fasi di Floquet. I risultati di questa ricerca indicano una serie di direzioni future, compresa l'esplorazione della generalizzazione della pretermalizzazione Floquet, stabilizzare le fasi topologiche di Floquet e sfruttare la dinamica a molti corpi di non equilibrio per la metrologia.

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