Un marco de física estadística puede extenderse a la configuración de no equilibrio para descubrir fases de materia previamente no identificadas catalizadas por impulsos periódicos. Los científicos tienen como objetivo reducir el calentamiento descontrolado asociado con la conducción de un sistema cuántico que interactúa fuertemente para investigar las fases recién descubiertas.

En un nuevo estudio ahora publicado en Ciencias , A. Kyprianidis y un equipo de investigación interdisciplinario en los EE. UU. Utilizaron un simulador cuántico para observar las firmas de una fase impulsada por el desequilibrio sin desorden para formar un cristal de tiempo discreto pretérmico. Los científicos superaron el problema del calentamiento mediante el uso de conducción de alta frecuencia para formar una ventana de tiempo expansiva para que emerjan las fases de desequilibrio. El equipo presentó la pretermalización de Floquet como una estrategia general para crear, estabilizar y estudiar fases intrínsecamente fuera de equilibrio de la materia.

Conducción periódica

La conducción o modulación periódica de un sistema es un método versátil que permite la aparición de fenómenos que van desde la sincronización paramétrica hasta la estabilización dinámica. El método es estable y básico en campos que van desde la espectroscopia de resonancia magnética nuclear hasta el procesamiento de información cuántica. En un nivel más fundamental, la unidad Floquet periódica también proporciona un sistema con una simetría de traslación temporal discreta, donde la simetría se puede utilizar para proteger las fases topológicas de Floquet recién descubiertas o para formar un orden cristalino en el tiempo.

Para realizar fases de materia Floquet de muchos cuerpos, los científicos deben asegurarse de que el sistema circundante no absorba energía del campo de conducción. En presencia de un impulso periódico, El calentamiento de floquet puede hacer que un sistema genérico de muchos cuerpos se acerque a un orden no trivial, a lo que sigue la caracterización de una fase de la materia para formar un comportamiento de estado estable. Convencionalmente Los científicos pueden abordar el proceso para prevenir el calentamiento de Floquet haciendo uso del fuerte desorden en la configuración experimental, en otro método, pueden utilizar un marco libre de trastornos para abordar estos desafíos mediante la pretermalización de Floquet. Pueden surgir simetrías adicionales que están protegidas por la simetría de traslación temporal discreta de la pulsión y conducir a fases de la materia que no están en equilibrio intrínsecamente. Un ejemplo de una de esas fases es el cristal de tiempo discreto pre-térmico (PDTC) donde el sistema de muchos cuerpos puede conducir al desarrollo de una respuesta subarmónica robusta. Como resultado, un cristal de tiempo discreto pretérmico libre de desorden mostró una serie de diferencias clave discretas en comparación con el cristal de tiempo discreto del sistema de muchos cuerpos.

Kyprianidis y col. exploró las interacciones espín-espín de largo alcance de un simulador cuántico para observar las firmas de un cristal de tiempo discreto pretérmico unidimensional. Los científicos primero prepararon una variedad de estados iniciales localmente no homogéneos al abordar individualmente los iones dentro de la cadena unidimensional. Luego caracterizaron la dinámica de enfriamiento a partir de estos estados para observar directamente el acercamiento al estado pretérmico para la extracción experimental del tiempo de equilibrio pretérmico. El equipo también midió la dinámica de tiempo de la densidad de energía en función de la frecuencia de conducción y preparó estados cerca de la parte inferior y superior del espectro para observar la dinámica de energía de la configuración experimental. La escala de tiempo de calentamiento aumentó con la frecuencia de conducción y el equipo investigó la naturaleza del orden cristalino de tiempo pretérmico mediante el estudio de la dinámica de Floquet de diferentes estados iniciales de equilibrio y simetría. Durante más experimentos, Kyprianidis y col. identificó el límite de fase para el PDTC (cristal de tiempo discreto pre-térmico) observando la vida útil del orden cristalino en el tiempo como una función de la densidad de energía del estado inicial.

Orden cristalino en el tiempo

En la configuración experimental, una característica crucial del hamiltoniano pretérmico efectivo (H _ef ) del sistema aseguró interacciones Ising de largo alcance para estabilizar una fase ferromagnética. Debido a la naturaleza antiferromagnética de las interacciones, la fase no se produjo con una densidad de energía baja cerca de la parte inferior del espectro, sino con una densidad de energía alta cerca de la parte superior del espectro. Los científicos demostraron la dependencia de la frecuencia de la escala de tiempo de calentamiento y la capacidad de determinar la vida útil del cristal de tiempo pretérmico. El ingrediente clave que subyace al orden cristalino del tiempo fue la presencia de una simetría emergente como consecuencia directa del protocolo de conducción periódico. Durante el experimento, la simetría correspondía a un giro de giro global, para sugerir que el orden cristalino en el tiempo es facilitado naturalmente por la dinámica de magnetización de la configuración experimental. Como resultado, hay dos posibilidades para la dinámica pre-térmica dependiendo de la densidad de energía del sistema. Por ejemplo, si el estado pretérmico correspondía al paramagnet respetuoso de la simetría, la magnetización puede permanecer sin cambios a lo largo de un período. Si el estado pretérmico correspondía a un ferromaimán diferente, la magnetización puede alternar. La dinámica subarmónica resultante forma el sello distintivo de un cristal de tiempo. Los investigadores investigaron los dos regímenes midiendo la autocorrelación de magnetización. Al considerar dos estados iniciales adicionales, exploraron la estabilidad de la fase PDTC en función de la densidad de energía.

panorama

De este modo, Kyprianidis y col. describió tanto el tiempo de calentamiento como la vida útil del orden cristalino en el tiempo. Los resultados son consistentes con un límite de fase que ocurre a la densidad de energía de acuerdo con los cálculos numéricos de Monte Carlo cuántico. El equipo describió la observación experimental de un comportamiento cristalino de tiempo pretérmico robusto que persistió más allá de la dinámica transitoria de tiempo temprano. Incluso en presencia de ruido, la dinámica pretérmica se mantuvo estable para sugerir que un baño externo a temperaturas suficientemente bajas puede estabilizar la dinámica pretérmica durante tiempos infinitamente largos. Esto contrasta con los enfoques basados ​​en la localización utilizados para estabilizar las fases de Floquet. Los resultados de esta investigación apuntan a una serie de direcciones futuras, incluida la exploración de la generalización de la pretermalización de Floquet, estabilizar las fases topológicas de Floquet y aprovechar la dinámica de muchos cuerpos sin equilibrio para la metrología.

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