Uma estrutura de física estatística pode ser estendida para a configuração de não-equilíbrio para descobrir fases anteriormente não identificadas da matéria catalisadas por condução periódica. Os cientistas pretendem reduzir o aquecimento descontrolado associado à condução de um sistema quântico de forte interação, a fim de investigar as fases recém-descobertas.

Em um novo estudo agora publicado em Ciência , A. Kyprianidis e uma equipe de pesquisa interdisciplinar nos EUA usaram um simulador quântico para observar assinaturas de uma fase de não-equilíbrio sem desordem para formar um cristal de tempo discreto pré-termal. Os cientistas superaram o problema de aquecimento usando acionamento de alta frequência para formar uma janela de tempo expansiva para o surgimento de fases de não-equilíbrio. A equipe apresentou a pré-termalização de Floquet como uma estratégia geral para criar, estabilizar e estudar fases intrinsecamente fora de equilíbrio da matéria.

Condução periódica

A condução ou modulação periódica de um sistema é um método versátil que permite o surgimento de fenômenos que vão desde a sincronização paramétrica até a estabilização dinâmica. O método é estável e básico em campos de espectroscopia de ressonância magnética nuclear a processamento de informações quânticas. Em um nível mais fundamental, o acionamento Floquet periódico também fornece um sistema com uma simetria de translação de tempo discreta, onde a simetria pode ser usada para proteger fases topológicas de Floquet recentemente descobertas ou formar ordem cristalina no tempo.

Para realizar as fases da matéria Floquet de muitos corpos, os cientistas devem garantir que o sistema circundante não absorva energia do campo de direção. Na presença de uma unidade periódica, O aquecimento do floquet pode fazer com que um sistema genérico de muitos corpos se aproxime da ordem não trivial, que é seguido pela caracterização de uma fase da matéria para formar um comportamento de estado estacionário. Convencionalmente, os cientistas podem abordar o processo para evitar o aquecimento de Floquet, fazendo uso da forte desordem na configuração experimental, em outro método, eles podem usar uma estrutura livre de distúrbios para enfrentar esses desafios por meio da pré-termalização de Floquet. Simetrias adicionais que são protegidas pela simetria de translação no tempo discreta da pulsão podem emergir e levar a fases intrinsecamente fora de equilíbrio da matéria. Um exemplo de uma dessas fases é o cristal de tempo discreto pré-térmico (PDTC), onde o sistema de muitos corpos pode levar ao desenvolvimento de uma resposta sub-harmônica robusta. Como resultado, um cristal de tempo discreto pré-termal sem desordem mostrou uma série de diferenças chave discretas quando comparado com o cristal de tempo discreto do sistema de muitos corpos.

Kyprianidis et al. explorou as interações spin-spin de longo alcance de um simulador quântico para observar as assinaturas de um cristal de tempo discreto pré-termal unidimensional. Os cientistas primeiro prepararam uma variedade de estados iniciais localmente não homogêneos abordando individualmente os íons dentro da cadeia unidimensional. Eles então caracterizaram a dinâmica de têmpera a partir desses estados para observar diretamente a aproximação do estado pré-termal para a extração experimental do tempo de equilíbrio pré-termal. A equipe também mediu a dinâmica de tempo da densidade de energia como uma função da frequência de condução e estados preparados perto da parte inferior e superior do espectro para observar a dinâmica de energia da configuração experimental. A escala de tempo de aquecimento aumentou com a frequência de condução e a equipe investigou a natureza da ordem cristalina do tempo pré-termal estudando a dinâmica de Floquet de diferentes estados iniciais de equilíbrio e simetria. Durante outros experimentos, Kyprianidis et al. identificou o limite de fase para o PDTC (cristal de tempo discreto pré-térmico) observando o tempo de vida da ordem cristalina do tempo como uma função da densidade de energia do estado inicial.

Ordem cristalina do tempo

Na configuração experimental, uma característica crucial do hamiltoniano pré-termal eficaz (H _efa ) do sistema garantiu interações Ising de longo alcance para estabilizar uma fase ferromagnética. Devido à natureza antiferromagnética das interações, a fase não ocorreu em baixa densidade de energia perto da parte inferior do espectro, mas ocorreu em alta densidade de energia perto do topo do espectro. Os cientistas mostraram a dependência da frequência da escala de tempo de aquecimento e a capacidade de determinar a vida útil do cristal de tempo pré-termal. O ingrediente chave subjacente à ordem cristalina do tempo era a presença de uma simetria emergente como consequência direta do protocolo de condução periódica. Durante o experimento, a simetria correspondeu a um giro global, sugerir que a ordem cristalina do tempo é naturalmente facilitada pela dinâmica de magnetização da configuração experimental. Como resultado, existem duas possibilidades para a dinâmica pré-térmica dependendo da densidade de energia do sistema. Por exemplo, se o estado pré-termal correspondia ao paramagneto respeitador de simetria, a magnetização pode permanecer inalterada ao longo de um período. Se o estado pré-termal correspondia a um ferromagneto diferente, a magnetização pode alternar. A dinâmica subharmônica resultante é a marca registrada de um cristal de tempo. Os pesquisadores investigaram os dois regimes medindo a autocorrelação da magnetização. Ao considerar dois estados iniciais adicionais, eles exploraram a estabilidade da fase PDTC em função da densidade de energia.

Panorama

Desta maneira, Kyprianidis et al. descreveu o tempo de aquecimento e a vida útil da ordem do tempo cristalino. Os resultados são consistentes com um limite de fase ocorrendo na densidade de energia de acordo com os cálculos numéricos do Monte Carlo quântico. A equipe descreveu a observação experimental de comportamento cristalino de tempo pré-termal robusto que persistiu além da dinâmica transitória do tempo inicial. Mesmo na presença de ruído, a dinâmica pré-térmica permaneceu estável para sugerir que um banho externo em temperaturas suficientemente baixas pode estabilizar a dinâmica pré-térmica por tempos infinitamente longos. Isso está em contraste com as abordagens baseadas na localização usadas para estabilizar as fases do Floquet. Os resultados desta pesquisa apontam para uma série de direções futuras, incluindo a exploração da generalização da pré-terapia de Floquet, estabilizando fases topológicas de Floquet e aproveitando a dinâmica de muitos corpos sem equilíbrio para metrologia.

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