약하게 깨진 보존법칙을 탐지한 디폴라르 리드버그 스핀 체인

초록

14개의 리드버그 원자를 이용한 1차원 양자 스핀 체인에서, 인접 이웃의 XX 모델은 적분 가능하지만, 다음-인접 디폴라르 상호작용이 약하게 적분성을 깨뜨린다. 저자들은 도메인월 초기 상태의 자화 변동과 문자열 연산자를 측정해, 파손된 연약 보존법칙의 존재를 실험적으로 확인한다. 수치 시뮬레이션과 고전 확률 모델이 실험 결과를 재현하며, 비국소 관측량이 약한 적분성 파괴를 감지하는 민감한 탐지기임을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 1차원 리드버그 원자 배열(L=14, 원자 간격 a≈10.8 µm)에서 두 개의 고전적인 리드버그 상태(|↑⟩,|↓⟩)를 의사 스핀 ½으로 매핑한 뒤, 디폴라르‑XX 해밀토니안 ˆH_X X=−ℏJ∑{i<j}a³/r{ij}³(σ⁺_iσ⁻_j+σ⁻iσ⁺j) 를 구현한다. 최근접 상호작용( r{ij}=a )만을 고려하면 해밀토니안 ˆH_nn은 자유 페르미온으로 정확히 해석 가능한 적분 가능 모델이며, 전자기적 전류와 자화 전류 등 무한개의 보존법칙을 가진다. 그러나 실제 실험에서는 r{ij}=2a인 다음‑인접 디폴라르 항 ˆH_nnn=−(ℏJ/8)∑_j(σ⁺jσ⁻{j+2}+σ⁻jσ⁺{j+2}) 가 존재한다. 이 항은 페르미온 간 상호작용을 유도해 ˆH_nn의 로컬 보존법칙, 특히 스핀 플립에 대해 홀수인 전류 보존법칙(예: ˆJ_z^tot)을 파괴한다. 이러한 파괴는 “연약한 보존법칙”이라 불리며, 작은 교란에도 급격히 사라지는 특성을 가진다.

연구진은 도메인월 초기 상태 |Ψ_DW⟩=|↓↓…↓↓↑↑…↑⟩ 를 준비하고, 시간에 따라 ⟨σ_z^j⟩와 비국소 관측량인 부분 자화 Σ_z^j=∑_{m≤j}σ_z^m의 분산 Var