Exploring Dynamical Quantum Phase Transitions via the Dynamical Phase Accumulated at an Equilibrium Critical Point

In de kwantumwereld settleert materie niet altijd in een enkele, onveranderlijke staat. In plaats daarvan kan het abrupt verschuiven tussen verschillende fasen, vergelijkbaar met hoe water bevriest tot ijs of kookt tot stoom. Deze verschuivingen, bekend als faseovergangen, vinden meestal plaats wanneer een systeem zeer langzaam wordt afgekoeld of verhit, waardoor het zich soepel kan aanpassen. Echter, natuurkundigen hebben een meer dramatisch soort transitie ontdekt die niet plaatsvindt in temperatuur, maar in tijd. Wanneer een kwantumsysteem plotseling uit zijn evenwicht wordt gebracht door een snelle verandering in zijn omgeving, kan het een dynamische faseovergang ondergaan. Dit evenement wordt gekenmerkt door een plotselinge, scherpe verandering in hoe het systeem evolueert, wat een verborgen structuur in zijn beweging onthult die onzichtbaar is wanneer de zaken rustig zijn. Jarenlang hebben wetenschappers deze transities bestudeerd door te kijken naar hoe een systeem reageert op een enkele, scherpe duw. Maar een nieuwe studie suggereert dat het verhaal veel complexer is als men de actie pauzeert op het exacte moment van instabiliteit.

Onderzoekers hebben nu verkend wat er gebeurt wanneer een kwantumsysteem niet alleen wordt geduwd, maar wordt gepauzeerd op het kritieke punt waar het het meest onstabiel is. Met behulp van een theoretisch model van een keten van magnetische atomen, simuleerde het team een proces waarbij het systeem naar een kantelpunt wordt gedreven, daar voor een specifieke duur wordt vastgehouden, en vervolgens weer wordt weggedreven. Deze wachttijd staat het systeem toe om een subtiele, onzichtbare verschuiving in zijn interne ritme te accumuleren, bekend als een dynamische fase. De studie, uitgevoerd door een team van Southwest Petroleum University, Sichuan Agricultural University en Sichuan University, onthult dat deze korte pauze de regels van de transitie fundamenteel herschrijft. Door de lengte van deze wachtperiode af te stemmen, ontdekten de onderzoekers dat ze het systeem konden dwingen om ofwel een enkele, scherpe transitie te vertonen of, verrassend genoeg, een hele reeks van transities.

Het experiment begon met een keten van atomen die zich gedragen als kleine magneten, aanvankelijk uitgelijnd in één richting. De onderzoekers simuleerden een proces waarbij het magnetisch veld dat op deze atomen werkt, langzaam werd veranderd om het systeem naar een kritiek punt te duwen, een specifieke instelling waar de atomen op de drempel staan om hun uitlijning om te keren. In plaats van dit punt onmiddellijk te passeren, hield de simulatie het systeem daar een eindige tijd vast. Tijdens deze pauze bleven de atomen niet stil; ze bleven evolueren en cumuleerden een fasesverschuiving die volledig afhankelijk was van hoe lang het systeem wachtte. Wanneer het veld uiteindelijk weer werd veranderd om de transitie te voltooien, droeg de eindtoestand van het systeem de herinnering aan die pauze met zich mee. De onderzoekers observeerden dat deze geaccumuleerde fase fungeerde als een regelknop, wat een patroon van interferentie in het gedrag van het systeem creëerde.

In het standaardscenario, waarbij het systeem door het kritieke punt wordt gedreven zonder te stoppen, wordt de transitie gekenmerkt door één dominante modus van instabiliteit. Dit is een recht evenredige gebeurtenis waarbij het gedrag van het systeem scherp verandert op één specifiek moment in de tijd. De nieuwe bevindingen laten echter zien dat het introduceren van een wachttijd bij het kritieke punt dit beeld volledig verandert. Naarmate de wachttijd toeneemt, zorgt de geaccumuleerde fase ervoor dat het systeem oscilleert. Deze oscillaties creëren meerdere punten waar het systeem onstabiel wordt, waardoor de enkele transitie effectief wordt gesplitst in verschillende gebeurtenissen. De onderzoekers identificeerden twee verschillende regimes: één waar het systeem zich gedraagt met een enkele kritieke modus, en een ander waar het meerdere kritieke modi vertoont. De grens tussen deze twee toestanden wordt bepaald door de precieze lengte van de wachtperiode en de snelheid van de initiële duw.

De studie biedt een gedetailleerde kaart van hoe deze regimes met elkaar interageren. Wanneer het systeem zeer snel wordt geduwd, vindt de transitie van een enkele modus naar meerdere modi plaats op een specifieke, vaste wachttijd. Wanneer de duw langzaam is, groeit de vereiste wachttijd op een voorspelbare manier, volgens een schaalwet die de duur van de wachtperiode relateert aan de snelheid van de duw. Cruciaal is dat de onderzoekers vonden dat op de exacte grens waar het systeem overschakelt van het hebben van één kritieke modus naar vele, de aard van de transitie zelf verandert. In het single-mode regime heeft de responscurve van het systeem een scherpe, lineaire hoek, vergelijkbaar met het punt waar een weg een plotselinge bocht maakt. Maar op de grens vlakt deze hoek uit naar een andere vorm, waarbij de helling oneindig steil wordt. Deze wiskundige verschuiving betekent dat de reactie van het systeem op dat specifieke moment veel gevoeliger en extremer wordt.

Om er zeker van te zijn dat deze resultaten niet uniek waren voor hun specifieke model, herhaalde het team de analyse met een ander type kwantumsysteem, bekend als een uitgebreid Su-Schrieffer-Heeger-model, dat elektronen beschrijft die door een keten van atomen bewegen met variërende tussenruimtes. De resultaten waren identiek: de wachttijd bij het kritieke punt controleerde het aantal transities, en de grens tussen de enkele en meerdere modi vertoonde dezelfde gedragsverandering. Deze consistentie suggereert dat het fenomeen een fundamentele eigenschap is van kwantumsystemen die door kritieke punten worden gedreven, en geen artefact is van een specifieke opstelling. De onderzoekers merkten ook op dat als het systeem op een punt zou worden vastgehouden dat niet het kritieke instabiliteitspunt is, het effect veel zwakker zou zijn of geheel zou verdwijnen, wat bevestigt dat het kritieke punt essentieel is voor deze accumulatie van fase.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het begrijpen van een specifieke keten van atomen. Door aan te tonen dat een eenvoudige pauze de zeer aard van een faseovergang kan herstructureren, biedt de studie een nieuwe manier om kwantumsystemen te controleren. Het suggereert dat door zorgvuldig te timen hoe lang een systeem wacht bij een kritiek moment, wetenschappers potentieel systemen kunnen ontwerpen om meerdere, onderscheidende transitiepunten te hebben of deze volledig te onderdrukken. Het onderzoek verheldert ook de relatie tussen de snelheid van een verandering en het resulterende gedrag, waardoor de kloof wordt overbrugd tussen plotselinge, schokkerige verschuivingen en langzame, geleidelijke transities. Hoewel de bevindingen momenteel gebaseerd zijn op theoretische simulaties, bieden ze een duidelijk stappenplan voor toekomstige experimenten. Naarmate kwantumsimulatoren met gevangen ionen en supergeleidende circuits geavanceerder worden, zullen zij in staat zijn deze voorspellingen direct te testen, wat potentieel de deur opent naar nieuwe manieren om de kwantumwereld te manipuleren door de eenvoudige handeling van het wachten.