Mahalliylashtirish himoyalangan kvant buyurtmasi - Localization protected quantum order

Ko'p tanadagi lokalizatsiya (MBL) - bu ko'p tanali tizimlarda muvozanat statistik mexanikasining buzilishiga olib keladigan dinamik hodisa. Bunday tizimlar hech qachon mahalliy darajaga etib bormaydi issiqlik muvozanati, va ularning boshlang'ich shartlari haqidagi mahalliy xotirani cheksiz vaqt davomida saqlang. Ushbu muvozanatdan tashqari tizimlarda fazalar tuzilishi tushunchasini hali ham aniqlash mumkin. Ajablanarlisi shundaki, MBL hattoki issiqlik muvozanatida taqiqlangan yangi ekzotik buyurtmalar turini yoqishi mumkin - bu hodisa lokalizatsiya himoyalangan kvant tartibi (LPQO) yoki shaxsiy buyurtma^{[1][2][3][4][5]}

Fon

Moddaning fazalarini va ular orasidagi o'tishlarni o'rganish bir asrdan ko'proq vaqt davomida fizikaning markaziy korxonasi bo'lib kelgan. Ko'pchilik Landau bilan bog'liq bo'lgan fazaviy tuzilishni aniqlashning dastlabki paradigmalaridan biri fazalarni o'z-o'zidan sindirish jismoniy tizimda mavjud bo'lgan global simmetriya. Yaqinda biz ham tushunishda katta yutuqlarga erishdik topologik fazalar Landau doirasidan tashqarida joylashgan materiya: tartib topologik fazalar mahalliy simmetriya naqshlari bilan tavsiflana olmaydi va buning o'rniga global naqshlarda kodlangan kvant chalkashligi.

Bu ajoyib yutuqlarning barchasi muvozanat statistik mexanikasi asosiga asoslanadi. Fazalar va fazalar o'tishlari faqat termodinamik chegaradagi makroskopik tizimlar uchun keskin aniqlanadi va statistik mexanika bizga ko'p (~ 10) makroskopik tizimlar haqida foydali bashorat qilishimizga imkon beradi.²³) tarkibiy qismlar. Statistik mexanikaning asosiy taxminlari shundan iboratki, tizimlar umumiy ravishda issiqlik muvozanati holatiga (masalan, Gibbs holatiga) erishadi, bu harorat yoki kimyoviy potentsial kabi bir nechta parametrlar bilan tavsiflanishi mumkin. An'anaga ko'ra, fazaviy tuzilish muvozanat holatidagi "tartib parametrlari" ning harakatini o'rganish orqali o'rganiladi.Nol haroratda ular tizimning asosiy holatida baholanadi va har xil fazalar har xil kvant tartiblariga mos keladi (topologik yoki boshqa). muvozanat cheklangan haroratlarda ruxsat etilgan tartiblarni qat'iyan cheklaydi.Umumiy holda, cheklangan haroratdagi termal tebranishlar tartiblangan fazalarda mavjud bo'lgan uzoq kvant korrelyatsiyalarini pasaytiradi va pastki o'lchamlarda tartibni butunlay yo'q qilishi mumkin.Misol sifatida Peierls-Mermin-Wagner teoremalari bitta o'lchovli tizim namoyish eta olmasligini isbotlang o'z-o'zidan paydo bo'ladigan simmetriya har qanday nol bo'lmagan haroratda.

Fenomeni bo'yicha so'nggi taraqqiyot ko'p tanali lokalizatsiya umumiy (odatda tartibsiz) ko'p tanali tizimlar sinflarini ochib berdi hech qachon mahalliy issiqlik muvozanatiga erishadi va shu bilan muvozanat statistik mexanikasi doirasidan tashqarida bo'ladi.^{[6][7][8][9][10][11][1]} MBL tizimlari termalizatsiya fazasiga dinamik o'zgarishlar o'tishi mumkin, chunki buzilish yoki o'zaro ta'sir kuchi kabi parametrlar sozlangan va MBL-termal fazaga o'tish tabiati tadqiqotning faol yo'nalishi hisoblanadi. MBL ning mavjudligi har xil turdagi termalizatsiya fazalari kabi, har xil MBL fazalariga ega bo'lishi mumkinmi degan qiziq savol tug'diradi. Ajablanarlisi shundaki, javob ijobiydir va muvozanatdan tashqari tizimlar ham boy fazaviy tuzilmani namoyish etishi mumkin. Bundan tashqari, lokalizatsiya qilingan tizimlardagi issiqlik tebranishlarini bostirish hatto muvozanatda taqiqlangan tartiblarning yangi turlariga yo'l qo'yishi mumkin - bu lokalizatsiya himoyalangan kvant tartibining mohiyati.^[1] Yaqinda vaqti-vaqti bilan boshqariladigan MBL tizimlarida vaqt kristallarini kashf etilishi ushbu hodisaning yorqin namunasidir.^{[12][13][14][15][16]}

Muvozanat holatidan chiqadigan fazalar: xususiy davlat tartibi

Lokalizatsiyalangan tizimlarda fazalar tuzilishini o'rganish bizdan avval issiqlik muvozanatidan uzoqda bo'lgan faza to'g'risida keskin tushunchani shakllantirishni talab qiladi. Bu tushunchasi orqali amalga oshiriladi davlat buyurtmasi:^[1] tartib parametrlari va korrelyatsiya funktsiyalarini o'lchash mumkin individual Gibbs holatidagi kabi bir necha o'zga davlatlar bo'yicha o'rtacha hisoblash o'rniga ko'p tanali tizimning energetik o'ziga xos davlatlari. Muhim nuqta shundaki, alohida xususiy davlatlar o'zlarining davlatlari bo'yicha termodinamik o'rtacha ko'rsatkichlari uchun ko'rinmaydigan tartib tartiblarini namoyish etishi mumkin. Darhaqiqat, o'rtacha termodinamik ansambl MBL tizimlarida ham mos emas, chunki ular hech qachon issiqlik muvozanatiga erishmaydi. Bundan tashqari, alohida shaxsiy davlatlar o'zlari eksperimental ravishda kirish imkoniga ega emaslar, ammo o'z davlatlarida buyurtma shunga qaramay o'lchovli dinamik imzolar. O'ziga xos spektr xususiyatlari singular tarzda o'zgaradi, chunki tizim MBL fazasining bir turidan boshqasiga, yoki MBL fazasidan termaliga --- yana o'lchovli dinamik imzolar bilan o'tadi.

MBL tizimlarida shaxsiy davlat tartibini ko'rib chiqishda, odatda, bu haqda gapiradi juda hayajonlangan o'z davlatlari yuqori yoki cheksiz haroratga mos keladigan energiya zichligida, agar tizim issiqlik qila oladigan bo'lsa. Termalizatsiya tizimida harorat orqali aniqlanadi ${ displaystyle T = chap ({ frac {dS} {dE}} o'ng) ^ {- 1}}$ qaerda entropiya ${ displaystyle S}$ ko'p tanali spektrning o'rtasiga yaqinlashtiriladi (ga mos keladi ${ displaystyle T = infty}$) va spektr qirralari yonida yo'qoladi (ga to'g'ri keladi ${ displaystyle T = 0 ^ { pm}}$). Shunday qilib, "cheksiz haroratning o'ziga xos holatlari" bu spektrning o'rtasidan olingan bo'lib, harorat faqat muvozanatda aniqlanganligi sababli haroratga emas, balki energiya zichligiga murojaat qilish to'g'ri bo'ladi. MBL tizimlarida termal tebranishlarning bostirilishi, yuqori qo'zg'aladigan xususiy davlatlarning xossalari, ko'p jihatdan, bo'shliqdagi mahalliy hamiltoniyaliklarning asosiy holatlariga o'xshashligini anglatadi. Bu erga buyurtma berishning turli shakllarini cheklangan energiya zichligiga erishish imkonini beradi.

MB tizimlarini termalizatsiya qilishda o'z davlati tushunchasi fazalarning odatiy ta'rifiga mos kelishini ta'kidlaymiz. Buning sababi xususiy davlat termizatsiyasi gipotezasi (ETH) shuni anglatadiki, alohida tabiiy holatlarda hisoblangan mahalliy kuzatiladigan narsalar (masalan, buyurtma parametrlari) Gibbs holatida o'z davlatining energiya zichligiga mos keladigan haroratda hisoblangan. Boshqa tomondan, MBL tizimlari ETHga bo'ysunmaydi va yaqin atrofdagi ko'plab tanaviy tabiiy davlatlar juda xilma-xil mahalliy xususiyatlarga ega. Bu MBL shaxsiy davlatlariga termodinamik o'rtacha ko'rsatkichlari taqiqlangan bo'lsa ham tartibni namoyish qilish imkoniyatini beradi.

Lokalizatsiya himoyalangan simmetriya tartibini buzish

Lokalizatsiya Peierls-Mermin-Wagner teoremalari tomonidan muvozanatda taqiqlangan cheklangan energiya zichlikdagi tartiblarni buzish uchun simmetriyani ta'minlaydi.

Buni bir o'lchovdagi tartibsiz ko'ndalang maydon Ising zanjirining aniq misoli bilan tasvirlab beramiz:^[17][1][2]

${ displaystyle H = sum _ {i = 1} ^ {L} J_ {i} sigma _ {i} ^ {z} sigma _ {i + 1} ^ {z} + h_ {i} sigma _ {i} ^ {x} + J _ { rm {int}} ( sigma _ {i} ^ {z} sigma _ {i + 2} ^ {z} + sigma _ {i} ^ {z } sigma _ {i + 1} ^ {z})}$

qayerda ${ displaystyle sigma _ {i} ^ {x / y / z}}$ uzunlik zanjiridagi Pauli spin-1/2 operatorlari ${ displaystyle L}$, barcha muftalar ${ displaystyle {J_ {i}, h_ {i} }}$ vositalar bilan taqsimotlardan olingan musbat tasodifiy sonlar ${ displaystyle { overline {J}}, { overline {h}}}$va tizim Ising simmetriyasiga ega ${ displaystyle P = prod _ {i} sigma _ {i} ^ {x}}$ dagi barcha spinlarni aylantirishga mos keladi ${ displaystyle z}$ asos. The ${ displaystyle J _ { rm {int}}}$ atama o'zaro ta'sirlarni joriy qiladi va tizim qachon erkin fermion modeli (Kitaev zanjiri) bilan taqqoslanadi ${ displaystyle J _ { rm {int}} = 0}$.

O'zaro ta'sir qilmaydigan Ising zanjiri - tartibsizlik yo'q

Shakl 1. Ising zanjirining fazalari (a) o'zaro ta'sirsiz yoki tartibsiz, (b) tartibsiz, ammo o'zaro ta'sirga ega emas va (c) tartibsizlik va o'zaro ta'sirga ega.

Avval toza, o'zaro ta'sir qilmaydigan tizimni ko'rib chiqamiz: ${ displaystyle J_ {i} = J, ; h_ {i} = h, ; J _ { rm {int}} = 0}$. Muvozanat holatida asosiy holat ferromagnetik tartibda spinlar bo'ylab tekislanganda tartiblanadi ${ displaystyle z}$ o'qi uchun ${ displaystyle J> h}$, lekin bu paramagnet ${ displaystyle J$ va har qanday cheklangan haroratda (1a-rasm). Tartiblangan fazaning chuqur qismida tizim ikkita degeneratsiyalangan Ising simmetrik tuproq holatiga ega, ular "Shredinger mushuk" yoki superpozitsiya holatlariga o'xshaydi: ${ displaystyle | psi _ {0} ^ { pm} rangle = { frac {1} { sqrt {2}}} (| uparrow uparrow cdots uparrow rangle pm | downarrow downarrow cdots downarrow rangle)}$. Ular uzoq muddatli buyurtmani namoyish etadi:

${ displaystyle lim _ {| ij | rightarrow infty} lim _ {L rightarrow infty} langle psi _ {0} ^ { pm} | sigma _ {i} ^ {z} sigma _ {j} ^ {z} | psi _ {0} ^ { pm} rangle - langle psi _ {0} ^ { pm} | sigma _ {i} ^ {z} | psi _ {0} ^ { pm} rangle langle psi _ {0} ^ { pm} | sigma _ {j} ^ {z} | psi _ {0} ^ { pm} rangle > 0.}$

Har qanday cheklangan haroratda termal tebranishlar delokalizatsiya qilingan domen devorlarining cheklangan zichligiga olib keladi, chunki bu domen devorlarini yaratishda entropik yutuq bir o'lchovdagi energiya narxidan ustun keladi. Ushbu dalgalanmalar uzoq muddatli tartibni yo'q qiladi, chunki o'zgaruvchan domen devorlarining mavjudligi uzoq spinlar o'rtasidagi o'zaro bog'liqlikni buzadi.

O'zaro ta'sir qilmaydigan Ising zanjiri

Tartibsizlikni yoqgandan so'ng, o'zaro ta'sir qilmaydigan modeldagi hayajonlar (${ displaystyle J _ { rm {int}} = 0}$) tufayli mahalliylashtirish Andersonni mahalliylashtirish. Boshqacha qilib aytganda, domen devorlari buzilish bilan bog'lanib qoladi, shuning uchun umumiy davlat juda hayajonlanadi ${ displaystyle { overline {J}} gg { overline {h}}}$ kabi ko'rinadi ${ displaystyle | psi _ { rm {SG}} ^ {n, pm} rangle = { frac {1} { sqrt {2}}} (| uparrow uparrow downarrow downarrow downarrow uparrow uparrow cdots rangle pm | downarrow downarrow uparrow uparrow uparrow downarrow downarrow cdots rangle}$, qayerda ${ displaystyle n}$ ga ishora qiladi ${ displaystyle n ^ { rm {th}}}$ xususiy davlat va naqsh o'ziga xos davlatga bog'liq.^[1][2] Ushbu holatda baholangan spin-spin korrelyatsiya funktsiyasi o'zboshimchalik bilan uzoqlashadigan spinlar uchun nolga teng emas, lekin domen devorlarining juft / g'alati sonlari ikki sayt o'rtasida kesib o'tilganligiga qarab o'zgaruvchan belgiga ega ekanligini unutmang. Qayerdan, biz tizim uzoq masofali spin-stakan (SG) buyurtma. Haqiqatan ham, uchun ${ displaystyle { overline {J}}> { overline {h}}}$, lokalizatsiya asosiy energetik zichlikdagi yuqori hayajonlangan holatlarda asosiy holatdagi ferromagnitik tartibni spin-shisha tartibiga yordam beradi (1b-rasm). Agar Gibbsning termal holatida bo'lgani kabi o'rtacha qiymatlar o'rtacha bo'lsa, o'zgaruvchan belgilar o'zaro bog'liqlikni Peierls teoremasi talab qilganidek, 1D da cheklangan haroratda diskret simmetriyalarni buzilishini taqiqlaydi. Uchun ${ displaystyle { overline {J}} <{ overline {h}}}$, tizim paramagnitik (PM), va bosh vazirning tubidagi xususiy davlatlar ${ displaystyle x}$ asos va uzoq masofani ko'rsatmaydi Ising tartibi: ${ displaystyle | psi _ { rm {PM}} ^ {n} rangle = | rightarrow rightarrow leftarrow leftarrow leftarrow rightarrow cdots rangle}$. Mahalliylashtirilgan PM va mahalliylashtirilgan SG o'rtasida o'tish ${ displaystyle { overline {J}} = { overline {h}}}$ cheksiz tasodifiy universallik sinfiga kiradi.^[17]

O'zaro ta'sir qiluvchi Ising zanjiri

Zaif shovqinlarni yoqgandan so'ng ${ displaystyle J _ { rm {int}} neq 0}$, Anderson izolyatori ko'p tanali lokalizatsiya qilingan bo'lib qoladi va tartib PM / SG fazalarida chuqur saqlanib qoladi. Etarli darajada kuchli o'zaro ta'sirlar MBLni yo'q qiladi va tizim termalizatsiya fazasiga o'tadi. O'zaro ta'sirlar mavjud bo'lganda MBL PM dan MBL SG ga o'tish taqdiri hozircha hal etilmagan va ehtimol bu o'tish davri termal fazasi orqali amalga oshiriladi (1-rasm).

O'ziga xos davlat tartibini aniqlash - o'lchanadigan imzolar

Yuqoridagi munozara, juda yuqori hayajonlangan ko'p tanali shaxsiy davlatlarda tartib parametrlari va korrelyatsiya funktsiyalarini baholash natijasida olingan LPQO ni aniq tashxislash bilan bog'liq bo'lsa-da, bunday miqdorlarni eksperimental tarzda o'lchash deyarli mumkin emas. Shunga qaramay, alohida shaxsiy davlatlarning o'zlari eksperimental ravishda mavjud bo'lmasalar-da, o'z davlatlarida tartib o'lchovli dinamik imzolarga ega. Boshqacha qilib aytganda, jismonan tayyorlanadigan boshlang'ich holatidan boshlab, vaqt o'tishi bilan kuzatiladigan mahalliy jismoniy nuqsonlarni o'lchashda hanuzgacha o'z navbatida davlatning aniq imzolari mavjud.

Masalan, yuqorida muhokama qilingan tartibsiz Ising zanjiri uchun tasodifiy simmetriya singan dastlabki holatlarni tayyorlash mumkin, ular ${ displaystyle z}$asos: ${ displaystyle | psi _ {0} rangle = | yuqoriga ko'tarish pastga tushirish pastga tushirish ko'tarish cdots yuqoriga ko'tarish ko'tarish pastga tushirish rangle}$. Ushbu tasodifiy tanlangan holatlar cheksiz haroratda. Keyinchalik, mahalliy magnitlanishni o'lchash mumkin ${ displaystyle langle sigma _ {i} ^ {z} rangle}$vaqtida, bu simmetriyani buzish uchun buyurtma parametri vazifasini bajaradi. Buni ko'rsatish to'g'ridan-to'g'ri ${ displaystyle langle psi _ {0} (t) | sigma _ {i} ^ {z} | psi _ {0} (t) rangle}$simmetriya singan spin-shisha fazada ham cheksiz vaqt ichida nolga teng bo'lmagan qiymatga to'yingan bo'lsa, paramagnetda nolga aylanadi. Lokalizatsiya qilingan SG va PM fazalari orasidagi o'tishdagi o'ziga xos spektr xususiyatlarining o'ziga xosligi, aniq dinamik o'zgarishlar fazasiga o'tishga aylanadi. Darhaqiqat, buning yaqqol namunasi so'nggi tajribalar bilan ta'minlangan^[15][16] Floquet MBL tizimlarida vaqt kristallarini aniqlash, bu erda vaqt kristalli fazasi o'z-o'zidan vaqt tarjimasi simmetriyasini ham, fazoviy Ising simmetriyasini ham buzadi, bu esa o'zaro bog'liq bo'lgan makon-vaqtinchalik o'ziga xos davlat tartibini ko'rsatadi.

Mahalliylashtirish himoyalangan topologik tartib

Simmetriyani buzish tartibiga o'xshab, cheklangan haroratdagi termal tebranishlar topologik tartib uchun zarur bo'lgan kvant korrelyatsiyasini kamaytirishi yoki yo'q qilishi mumkin. Mahalliylashtirish yana bir bor muvozanat tomonidan taqiqlangan rejimlarda bunday tartiblarni amalga oshirishi mumkin. Bu ikkala uzoq oraliq deb topilgan topologik fazalar uchun ham, uchun ham sodir bo'ladi simmetriya himoyalangan yoki qisqa masofadagi chigal topologik fazalar. The torik-kod /${ displaystyle Z_ {2}}$ 2D dagi o'lchov nazariyasi avvalgisiga misol bo'lib, ushbu bosqichdagi topologik tartibni tashxislash mumkin Uilson pastadir operatorlar. Topologik tartib o'zgaruvchan girdoblar tufayli har qanday cheklangan haroratda muvozanatda vayron bo'ladi --- ammo ular tartibsizlikni keltirib chiqarishi mumkin shishasimon cheklangan energiya zichligida lokalizatsiya himoyalangan topologik tartib.^[12] Boshqa tarafdan, simmetriya bilan himoyalangan topologik (SPT) fazalar har qanday ommaviy uzoq masofaga buyurtma berish kerak va himoya simmetriyasi mavjud bo'lganligi sababli, izchil bo'shliqsiz chekka rejimlari mavjudligi sababli ahamiyatsiz paramagnetlardan ajralib turadi. Muvozanatda bu chekka rejimlar odatda cheklangan haroratda yo'q qilinadi, chunki ular delokalizatsiya qilingan katta qo'zg'alishlar bilan o'zaro ta'sir tufayli dekoheratsiya qilinadi. Yana bir bor, mahalliylashtirish ushbu rejimlarning cheklangan energiya zichligida ham izchilligini himoya qiladi! ^[18][19] Mahalliylashtirishdan himoyalangan topologik tartibning mavjudligi yuqori energiyadagi kvant izchil hodisalarga imkon berish orqali yangi kvant texnologiyalarini rivojlantirish uchun katta oqibatlarga olib kelishi mumkin.

Floquet tizimlarida lokalizatsiya himoyalangan tartib

Vaqti-vaqti bilan boshqariladigan yoki Floquet tizimlari, shuningdek, mos haydovchi sharoitida ko'p tanali lokalizatsiya qilinishi mumkinligi ko'rsatilgan.^[20][21] Bu juda ajoyib, chunki odam boshqariladigan ko'p tanali tizimning shunchaki ahamiyatsiz cheksiz harorat holatiga (energiya tejashisiz maksimal entropiya holatiga) qadar qizishini kutadi. Ammo, MBL bilan, bu isitishdan qochib qutulish mumkin va yana bir marta vaqt evolyutsiyasi operatori bo'lgan Floquet unitarining o'ziga xos davlatlarida ahamiyatsiz kvant buyurtmalarini olish mumkin. Bunga eng yorqin misol - vaqt kristalidir, faza uzoq masofali fazoviy vaqt tartibiga ega va vaqt tarjimasi simmetriyasining o'z-o'zidan uzilishi.^{[12][13][14][15][16]} Ushbu faza issiqlik muvozanatida taqiqlangan, ammo Floquet MBL sharoitida amalga oshirilishi mumkin.

Adabiyotlar