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Oct 30, 2023

비선형 2

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Nature Communications 13권, 기사 번호: 3090(2022) 이 기사 인용

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시간 결정은 바닥 상태에서 주기적으로 운동하는 거시적 양자 시스템입니다. 우리의 실험에서는 스핀파 준입자(마그논)로 구성된 두 개의 결합된 시간 결정이 거시적인 2단계 시스템을 형성합니다. 두 수준은 비선형 피드백에 의해 본질적으로 결정된 대로 시간에 따라 진화하여 자발적인 2수준 역학을 구성할 수 있습니다. 수평 교차 과정에서 마그논은 Rabi 인구 진동과 결합된 Landau-Zener 효과에 의해 지상 수준에서 여기 수준으로 이동합니다. 우리는 마그논 시간 결정이 단일 실험 실행으로 양자 응집성 상호 작용의 모든 측면과 세부 사항에 접근할 수 있음을 보여줍니다. 우리의 연구는 기본 초유체 시스템에서 표면 결합 마요라나 페르미온의 검출에 대한 전망을 열어주고 잠재적으로 실온에서도 일관된 마그논 현상의 기술적 활용을 초대합니다.

평형 상태의 영구 바닥 상태 운동은 시간 결정을 정의하지만 그러한 운동을 관찰하는 것은 불가능하다고 유명합니다1. 따라서 실험적인 시간 결정 구현은 평형2,3,4 또는 영속성5,6,7 요구 사항을 구부려 환경과 관찰자1,8,9,10로부터 격리된 경우에만 안정성에 도달합니다. 결과적으로, 충분한 분리를 유지하면서 별도의 시간 결정체를 결합하는 것은 어려운 일이며, 시간 결정체는 아직 동적 환경에서 연구되지 않았습니다. 우리는 3He(3He-B)의 초유체 B 단계에서 각각 1012개의 마그논으로 구성된 상호 작용하는 시간 결정의 자발적인 2단계 역학을 배열합니다. 이 시스템에서 관찰 가능한 시간 결정 수명은 구동력이 없을 때 최대 1,000초11(109개의 동작 주기)까지 연장될 수 있으며, 기본 초유체 시스템은 일관된 역학 엔지니어링을 위한 본질적인 피드백을 제공합니다.

3He-B의 마그논은 외부 자기장 H에 대해 세차운동하는 자화와 관련된 횡 스핀파의 양자로 발생합니다. 충분한 마그논 밀도와 충분히 낮은 온도에서 세차 운동은 균일한 주파수 Ω 및 위상에서 자발적으로 동기화되어 마그논 보스를 형성합니다. –아인슈타인 응축수12,13,14. 자발적인 동기화는 마그논이 자발적으로 바닥 상태로 떨어지는 제한 트랩에서 더 높은 에너지 수준으로 펌핑하거나 노이즈 드라이브를 사용하여 시스템에 일관되지 않은 마그논을 펌핑함으로써 입증될 수 있습니다. 이는 BEC의 마그논 상태가 드라이브에서 분리되었음을 보여줍니다. 따라서 마그논 응축물의 가로 스핀 세차 운동은 시간 결정의 특징적인 자발적 주기 운동을 나타냅니다5,6.

타임 크리스탈은 두 가지 다른 펌핑 기술을 사용하여 생성할 수 있습니다. 연속 드라이브를 사용하면 Floquet(이산) 타임 크리스탈이 생성됩니다. 여기서는 시간 결정 진화가 시작되기 전에 드라이브가 꺼지는 펄스 기술을 사용합니다. 이 접근 방식을 통해 우리는 외부 강제가 없는 경우 인위적인 시간 결정 역학과 상호 작용을 연구할 수 있습니다. 펌핑 펄스 동안의 시간 결정 형성과 그 이후의 진화는 두 가지 시간 척도를 특징으로 합니다. 첫 번째 시간 척도 τE ~ 0.1s는 시간 결정 열화, 즉 마그논 펌핑 후 트랩의 지면 수준에서 세차 운동이 얼마나 빨리 응집되는지를 설명합니다. 두 번째 시간 척도 τN은 타임 크리스탈 수명입니다. 격리된 샘플 용기에서는 온도가 감소함에 따라 기하급수적으로 τN→무엇이 됩니다. 실제로 제어 및 관찰 목적으로 세차 스핀에 연결된 회로에도 손실이 있습니다. 그러므로 유한한 τN을 허용하는 것이 필요합니다. 타임 크리스탈은 τN ≫ τE5,6만큼 잘 정의된 상태로 유지됩니다.