Un cadre de physique statistique peut être étendu au cadre de non-équilibre pour découvrir des phases de matière non identifiées auparavant catalysées par un entraînement périodique. Les scientifiques visent à réduire l'emballement thermique associé à la conduite d'un système quantique à forte interaction afin d'étudier les phases nouvellement découvertes.

Dans une nouvelle étude maintenant publiée sur Science , A. Kyprianidis et une équipe de recherche interdisciplinaire aux États-Unis ont utilisé un simulateur quantique pour observer les signatures d'une phase hors d'équilibre sans désordre pour former un cristal à temps discret préthermique. Les scientifiques ont surmonté le problème de chauffage en utilisant la conduite à haute fréquence pour former une fenêtre de temps étendue pour l'émergence des phases de non-équilibre. L'équipe a présenté la préthermisation Floquet comme une stratégie générale pour créer, stabiliser et étudier les phases intrinsèquement hors d'équilibre de la matière.

Conduite périodique

Le pilotage ou la modulation périodique d'un système est une méthode polyvalente qui permet l'émergence de phénomènes allant de la synchronisation paramétrique à la stabilisation dynamique. La méthode est stable et de base dans des domaines allant de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire au traitement de l'information quantique. A un niveau plus fondamental, l'entraînement périodique de Floquet fournit également un système avec une symétrie temps-translation discrète, où la symétrie peut être utilisée pour protéger les phases topologiques de Floquet nouvellement découvertes ou pour former un ordre cristallin dans le temps.

Pour réaliser les phases de Floquet à plusieurs corps de la matière, les scientifiques doivent s'assurer que le système environnant n'absorbe pas l'énergie du champ moteur. En présence d'un entraînement périodique, Le chauffage par flottage peut amener un système générique à plusieurs corps à se rapprocher d'un ordre non trivial, qui est suivi par la caractérisation d'une phase de la matière pour former un comportement à l'état stationnaire. Classiquement, les scientifiques peuvent aborder le processus pour empêcher le chauffage Floquet en utilisant le fort désordre dans la configuration expérimentale, dans une autre méthode, ils peuvent utiliser un cadre sans désordre pour relever ces défis grâce à la pré-thermalisation Floquet. Des symétries supplémentaires qui sont protégées par la symétrie temps-translation discrète de la pulsion peuvent émerger et conduire à des phases intrinsèquement de non-équilibre de la matière. Un exemple d'une telle phase est le cristal à temps discret préthermique (PDTC) où le système à plusieurs corps peut conduire au développement d'une réponse sous-harmonique robuste. Par conséquent, un cristal à temps discret préthermique sans désordre a montré un certain nombre de différences clés discrètes par rapport au cristal à temps discret du système à plusieurs corps.

Kyprianidis et al. ont exploré les interactions spin-spin à longue portée d'un simulateur quantique pour observer les signatures d'un cristal à temps discret préthermique unidimensionnel. Les scientifiques ont d'abord préparé une variété d'états initiaux localement non homogènes en adressant individuellement les ions au sein de la chaîne unidimensionnelle. Ils ont ensuite caractérisé la dynamique de trempe à partir de ces états pour observer directement l'approche de l'état préthermique pour l'extraction expérimentale du temps d'équilibration préthermique. L'équipe a également mesuré la dynamique temporelle de la densité d'énergie en fonction de la fréquence d'entraînement et a préparé des états près du bas et du haut du spectre pour observer la dynamique énergétique de la configuration expérimentale. L'échelle de temps de chauffage augmentait avec la fréquence d'entraînement et l'équipe a étudié la nature de l'ordre cristallin temporel préthermique en étudiant la dynamique de Floquet de différents états initiaux d'équilibre et de symétrie. Au cours d'autres expériences, Kyprianidis et al. identifié la limite de phase pour le PDTC (pré-thermique cristal à temps discret) en observant la durée de vie de l'ordre temps-cristallin en fonction de la densité d'énergie de l'état initial.

Ordre temporel cristallin

Dans le montage expérimental, une caractéristique cruciale de l'hamiltonien préthermique effectif (H eff ) du système a assuré des interactions d'Ising à longue distance pour stabiliser une phase ferromagnétique. En raison de la nature antiferromagnétique des interactions, la phase ne s'est pas produite à faible densité d'énergie près du bas du spectre mais s'est produite à haute densité d'énergie près du haut du spectre. Les scientifiques ont montré la dépendance en fréquence de l'échelle de temps de chauffage et la capacité de déterminer la durée de vie du cristal de temps préthermique. L'ingrédient clé sous-jacent à l'ordre cristallin du temps était la présence d'une symétrie émergente comme conséquence directe du protocole de conduite périodique. Au cours de l'expérimentation, la symétrie correspond à un spin flip global, suggérer que l'ordre cristallin temporel est naturellement facilité par la dynamique d'aimantation du dispositif expérimental. Par conséquent, il y a deux possibilités pour la dynamique pré-thermique en fonction de la densité énergétique du système. Par exemple, si l'état préthermique correspondait au para-aimant respectant la symétrie, l'aimantation peut rester inchangée au cours d'une période. Si l'état préthermique correspond à un ferromagnétique différent, l'aimantation peut alterner. La dynamique sous-harmonique qui en résulte forme la marque d'un cristal temporel. Les chercheurs ont étudié les deux régimes en mesurant l'autocorrélation de l'aimantation. En considérant deux états initiaux supplémentaires, ils ont exploré la stabilité de la phase PDTC en fonction de la densité d'énergie.

Perspectives

De cette façon, Kyprianidis et al. décrit à la fois le temps de chauffage et la durée de vie de l'ordre cristallin du temps. Les résultats sont cohérents avec une limite de phase se produisant à la densité d'énergie en accord avec les calculs numériques de Monte Carlo quantique. L'équipe a décrit l'observation expérimentale d'un comportement cristallin temporel préthermique robuste qui a persisté au-delà de la dynamique transitoire précoce. Même en présence de bruit, la dynamique préthermique est restée stable pour suggérer qu'un bain externe à des températures suffisamment basses peut stabiliser la dynamique préthermique pendant des temps infiniment longs. Ceci contraste avec les approches basées sur la localisation utilisées pour stabiliser les phases de Floquet. Les résultats de cette recherche indiquent un certain nombre d'orientations futures, dont l'exploration de la généralisation de la préthermisation Floquet, stabiliser les phases topologiques de Floquet et tirer parti de la dynamique à N corps hors équilibre pour la métrologie.

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