보수적인 해밀턴 시스템과 Bose의 키메라 패턴

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May 05, 2023

보수적인 해밀턴 시스템과 Bose의 키메라 패턴

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8590(2023) 이 기사 인용

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위상 일관성과 비일관성이 공존하는 영역을 특징으로 하는 키메라 패턴의 실험적 실현은 지금까지 소실이 있는 비보존적 시스템과 고전적 환경에서만 달성되었습니다. 양자 시스템에서 키메라 패턴을 관찰할 가능성은 거의 연구되지 않았으며, 키메라 패턴이 폐쇄형 또는 보수적 양자 시스템에 존재할 수 있는지 여부는 여전히 미해결 문제로 남아 있습니다. 여기에서는 에너지가 잘 정의되고 보존되는 비로컬 호핑을 사용하는 보수적인 해밀턴 시스템을 먼저 제안하여 이러한 문제를 해결합니다. 우리는 그러한 시스템이 키메라 패턴을 나타낼 수 있음을 명시적으로 보여줍니다. 그런 다음 추가적인 중재 채널을 사용하여 비로컬 호핑을 위한 물리적 메커니즘을 제안합니다. 이로 인해 우리는 트랩되지 않은 구성 요소가 물질파 매개 장 역할을 하는 스핀 의존 광학 격자를 갖춘 2성분 보스-아인슈타인 응축물(BEC)을 기반으로 하는 실험적으로 실현 가능한 양자 시스템을 제안하게 됩니다. 이 BEC 시스템에서는 수십 개의 격자 사이트에 대한 비국소적 공간 호핑이 달성될 수 있으며 시뮬레이션은 키메라 패턴이 특정 매개변수 체계에서 관찰 가능해야 함을 시사합니다.

키메라 패턴은 위상 일관성과 위상 불일치의 공간적으로 국한된 영역이 공존하는 것이 특징이며, 이는 병진 불변이 있는 시스템에서 자발적으로 대칭을 깨뜨립니다. 이러한 패턴은 비국소 확산 결합을 이용한 복잡한 Ginzburg-Landau 방정식(CGLE)8,9 연구에서 처음으로 확인되었습니다5,6,7. 발견 후 약 10년 동안 이러한 패턴은 화학, 기계, 광학, 전자 및 광전자 시스템10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20에서 실험적으로 입증되었습니다. 키메라 패턴은 신경 시스템에서도 발생하는데, 이는 이러한 패턴이 특정 생물학적 기능을 제공할 수 있음을 시사합니다21,22. 키메라 패턴에 대한 이론적 연구는 엑시톤-폴라리톤31,32, 결합 도파관을 포함하여 자연과학의 광범위한 시스템에서 수행되었습니다1,2,3,4,23,24,25,26,27,28,29,30 공진기(33) 및 메타물질(34) 등이 물리적 시스템에서 몇 가지 예입니다. 수년에 걸쳐 연구는 다양한 발진기, 연결 토폴로지, 패턴 및 물리적 특성뿐만 아니라 키메라 패턴의 다양한 개념으로 확장되었습니다. 지금까지 키메라 패턴은 고전적인 소산 시스템과 비보존 시스템을 포함하는 실험에서만 관찰되었습니다. 양자 시스템에서는 키메라 패턴에 대한 제한된 연구만 수행되었습니다. 그들 모두는 시간 결정과 같은 구동 및 소산을 갖춘 개방형 양자 시스템 설정에 있습니다. 따라서 어떤 폐쇄 시스템과 양자 시스템이 키메라 패턴을 나타낼 수 있는지는 아직 명확하지 않습니다.

여기에서는 해밀턴 접근법을 사용하여 보수 시스템과 양자 시스템에서 키메라 패턴의 존재를 탐구합니다. 고전 물리학에서는 해밀턴(Hamiltonian)40이라는 시스템 매개변수로 시스템의 전체 에너지를 지정함으로써 시스템과 그 동역학을 완전히 정의할 수 있습니다. 폐쇄형 보존 시스템은 일정한 에너지를 갖는 시간 독립적인 해밀턴으로 지정될 수 있습니다. 이러한 해밀턴을 사용하면 알려진 양자화 규칙 ansatz를 사용하여 양자 시스템으로 일반화하는 간단한 방법이 있습니다. 여기서 고려하는 특정 해밀턴 시스템은 다중 구성요소 Bose-Einstein 응축물(BEC)41,42,43,44이며, 이는 Gross-Pitaevskii 방정식(GPE)45,46이라고 불리는 해당 평균장 동적 방정식 세트를 갖습니다. 47. 단일 구성 요소 GPE는 특정 제한과 일부 확장을 통해 CGLE의 특별한 경우로 간주될 수 있으므로 둘 다 전역 위상 대칭과 3차 비선형성을 갖습니다. 역사적으로 CGLE는 고정 시스템이 진동하기 시작하는 중요한 지점인 Hopf 분기점에 가까운 공간적으로 확장된 시스템의 일반적인 형태에 해당하며9,49 비선형 파동과 같은 많은 물리적 시스템을 현상학적으로 설명합니다8,50. CGLE의 일반적인 방식과 달리 GPE는 고정된 에너지와 제한 사이클이 없는 감쇠되지 않은 비선형 발진기처럼 국지적으로 동작합니다(그림 1 참조). 진동의 해밀턴 공식화와 동시성의 출현에 초점을 맞춘 이전 연구는 해밀턴 시스템에서 Kuramoto 역학의 존재를 입증하여 소산성을 보존적 역학과 뚜렷하게 연결합니다. 이는 키메라 패턴이 보수적인 시스템에도 존재할 수 있음을 시사하지만 개념 증명은 아직 확립되지 않았습니다. 여기서 볼 수 있듯이 키메라 패턴은 실제로 BEC뿐만 아니라 특정 보수적 시스템에서도 관찰할 수 있습니다.

0\) does not affect the chimera patterns qualitatively. However, for uniform initial conditions in the amplitude, the fluctuations in the amplitude can decrease when P decreases as shown in Fig. S3 in SM./p>1000\) spiral rotations). This observation suggests that if a random phase core is used as an initial condition, the chimera core pattern also persists over such long times scale. This is indeed what we observe (see Fig. S6 in SM)./p>

0\) and so the particles can propagate outward. The additional detuning in the far-detuned regime \(|\Delta | \gg |\Omega |\) can ensure the mediating idea is well-defined: The number of particles \(N_{j}=\int d\textbf{r}|\psi _{j}|^{2}\) in the mediating channel \(N_{2}\ll N_{1}\approx N\) can be neglected. Note that this model is not captured by the framework of nonlocal diffusive coupling58. It is explicitly constructed to always preserve the conservation properties of the underlying Hamiltonian system, even when adiabatic elimination is applied./p>0\) is required for the solution of confined hopping kernels (see the form of \(\psi _2\) in Fig. 6a), while \(\Delta <0\) leads to wave-like solution. Substituting this solution back into Eq. (4a), we can get the continuum NLHM:/p>0\) which is typical for atomic systems. Note that when \(|\psi _i|^2\) is small, the nonlinear effect can be ignored. It can be achieved by decreasing the density, which is one of the main technique used in the analysis of real systems below./p>

0\) is considered here as illustrated in Fig. 6c./p>1}\) are occupied. This is because high energy states do not evolve slowly compared to the mediating component. To avoid occupying higher energy levels, we can confine the system to local ground states \(\phi ({\textbf {r}})\) with energy \(\epsilon _{1}\) and prevent excitation by choosing a suitable detuning such that \(\epsilon _{2}-\epsilon _{1} \gg \hbar \Delta \gg \hbar |\Omega |\) (see Fig. 6c). Under these constraints, along with adiabatic elimination, we can show (Sect. S2 in SM) that Eqs. (10a) and (10b) reduce to the exact form of Eq. (2) with \(U=g_{11}\int |\phi |^4\), \(P=\hbar \Omega ^{2}/\Delta\), hopping kernel \(G_{D}(r)\) in Table 1, and/p>d\) must be satisfied. An example of Rubidium atoms is shown in Fig. 6d with \(d=395\) nm and a deep trap \(s=40\) (expressing \(V_{0}=sE_{R}\) in recoil energy \(E_{R}=\hbar \kappa k^{2}\)). With such a large s, as studied before52, the overlap between wavefuncion of neighboring cell is very small, the direct hopping is weak, and the system becomes a Mott insulator in the quantum regime. Nevertheless, mediated hopping can completely replace the direct hopping (with order \(R\sim d\), see Fig. 6d) and allow real time control. Since \(\Omega\), \(\Delta\), and U can be easily adjusted in experiments, there seems to be no upper bound on R. From a practical point of view, however, it is limited by the lifetime \(\tau\) and experimental duration. A simple estimation of \(\tau \sim 1\)s gives a maximum \(R\sim 30d\) as shown in Fig. 6d./p>