Des physiciens révèlent des cristaux de temps discrets pré-thermaux comme des phases classiques de la matière

Une équipe internationale de physiciens montre que de nouvelles phases de non-équilibre de la matière – appelées cristaux à temps discret préthermique (DTC) – peuvent émerger dans la dynamique classique et ne dépendent pas de la mécanique quantique. Cela rend possible de grandes simulations pertinentes pour les expériences.

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Figure : Cristaux préthermiques à temps discret. (a) Le système se compose de N = 503 spins classiques dans un réseau tridimensionnel avec des interactions au plus proche voisin. (b) Échelles de temps pertinentes d’un 4-DTC (pour g = 0,25). L’échelle de temps de préthermalisation τpth∼1/λ est fixée par l’exposant de Lyapunov λ. La thermalisation à un état de température infinie se produit à un moment beaucoup plus tardif τth∼e exponentiel de la fréquence de commande ω. Ici, Δ=0,01. (c) En faisant varier le paramètre g, on peut accéder à différents n-DTC d’ordre supérieur et fractionnaires, chacun correspondant à un plateau à la fréquence 1/n dans la réponse spectrale du système. Ceci est représenté au moyen de la transformée de Fourier |˜m| de l’aimantation pour n=2, 3, 4 et 20/7. Crédit : © Pizzi et al. , 2021.

Les systèmes soumis à un entraînement à haute fréquence peuvent passer un temps exponentiellement long dans un régime préthermique, dans lequel de nouvelles phases de matière sans contrepartie d’équilibre peuvent être réalisées. En raison des défis informatiques notoires des systèmes quantiques à plusieurs corps, les recherches numériques dans cette direction sont restées limitées à une dimension spatiale, dans laquelle les interactions à longue distance se sont avérées nécessaires.

Les cristaux à temps discret préthermique (DTC) généralisent la notion de phase de la matière au domaine du non-équilibre. Ils brisent la symétrie temps-translation discrète d’un entraînement périodique en répondant à une sous-harmonique de cette fréquence. Parmi les déclinaisons des phénomènes cristallins temporels qui ont été étudiées ces dernières années, la rupture discrète de la symétrie temporelle dans les DTC préthermiques dure un temps fini mais très long (exponentiel en fréquence d’entraînement). Découvert dans un cadre de mécanique quantique, l’analyse des DTC préthermiques est jusqu’à présent restée un défi en raison de la complexité notoire des systèmes quantiques à plusieurs corps.

Dans une double publication, l’équipe de physiciens de Cambridge, TU Munich et Nottingham (maintenant à l’Université de Vienne) montre que les DTC préthermiques peuvent être capturés par une théorie classique qui n’a pratiquement aucune limitation numérique. Avec des simulations numériques à grande échelle, les auteurs fournissent le portrait le plus clair et à jour de ces phénomènes, par exemple le premier exemple d’un DTC préthermique avec des interactions à courte portée en trois dimensions et des scénarios de première importance pour les expériences.

En étudiant la dynamique hamiltonienne d’un grand réseau tridimensionnel de spins classiques, les nouveaux travaux fournissent la première preuve numérique des phases préthermiques de la matière dans un système avec des interactions à courte portée. Concrètement, ils ont trouvés des cristaux à temps discret d’ordre supérieur et fractionnaire brisant la symétrie de translation dans le temps de l’entraînement avec des périodes entières et fractionnaires étonnamment grandes.

Les chercheurs ont montré que les phases de non-équilibre préthermiques de la matière ne sont pas limitées au domaine quantique. Ces deux travaux établissent la dynamique hamiltonienne classique comme approche des simulations à grande échelle des phases préthermiques de la matière, suppriment ainsi les contraintes strictes des simulations quantiques à plusieurs corps et ouvrent de nouvelles voies dans le domaine en pleine expansion de la dynamique à plusieurs corps hors équilibre.

Leurs travaux ouvrent la voie à l’exploration de nouveaux phénomènes préthermiques au moyen de la dynamique hamiltonienne classique sans pratiquement aucune limitation sur la géométrie ou la taille du système, et donc avec des implications directes pour les expériences.

Voir la publication

Andrea Pizzi, Andreas Nunnenkamp, and Johannes Knolle, “Classical Prethermal Phases of Matter”, Phys. Rev. Lett. 127, 140602 – Published 27 September 2021 DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.140602

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