Кристалл фазового пространства
Кристалл фазового пространства — это состояние физической системы, которое отображает дискретную симметрию в фазовом пространстве вместо реального пространства . Для одночастичной системы кристаллическое состояние фазового пространства относится к собственному состоянию гамильтониана замкнутой квантовой системы. [1] или собственный оператор лиувиллиана квантовой открытой системы . [2] Для системы многих тел кристалл фазового пространства представляет собой твердое кристаллическое состояние в фазовом пространстве. [3] [4] Общая структура кристаллов фазового пространства призвана расширить изучение физики твердого тела и физики конденсированного состояния на фазовое пространство динамических систем . [5] В то время как реальное пространство имеет евклидову геометрию , фазовое пространство включает в себя классическую симплектическую геометрию или квантовую некоммутативную геометрию .
Решетки фазового пространства
[ редактировать ]В своей знаменитой книге « Математические основы квантовой механики » [6] Джон фон Нейман построил решетку фазового пространства с помощью двух коммутативных элементарных операторов смещения по направлениям положения и импульса соответственно, которую в настоящее время также называют решеткой фон Неймана . Если фазовое пространство заменить плоскостью частота-время, решетка фон Неймана называется решеткой Габора. [7] и широко используется для обработки сигналов. [8]
Решетка фазового пространства фундаментально отличается от решетки реального пространства, поскольку две координаты фазового пространства некоммутативны в квантовой механике . В результате когерентное состояние , движущееся по замкнутому пути в фазовом пространстве, приобретает дополнительный фазовый фактор, аналогичный эффекту Ааронова–Бома для заряженной частицы, движущейся в магнитном поле. [9] [3] Существует глубокая связь между фазовым пространством и магнитным полем. Фактически, каноническое уравнение движения также можно переписать в форме силы Лоренца, отражающей симплектическую геометрию классического фазового пространства. [5]
В фазовом пространстве динамических систем устойчивые точки вместе с соседними областями образуют в хаотическом море так называемые острова Пуанкаре-Биркгофа , которые могут образовывать цепочку или некоторые регулярные двумерные решетчатые структуры в фазовом пространстве. Например, эффективный гамильтониан ударного гармонического осциллятора (КНО). [10] [11] может иметь квадратную решетку, треугольную решетку и даже квазикристаллическую структуру в фазовом пространстве в зависимости от соотношения чисел ударов. Фактически, любая произвольная решетка фазового пространства может быть сконструирована путем выбора подходящей последовательности ударов для KHO. [4]
Кристаллы фазового пространства (КФП)
[ редактировать ]Концепция кристалла фазового пространства была предложена Го и др. [1] и первоначально относится к собственному состоянию эффективного гамильтониана периодической динамической системы (Флоке). В зависимости от того, учитывается ли эффект взаимодействия, кристаллы фазового пространства можно разделить на одночастичные PSC и многочастичные PSC . [12]
Одночастичные кристаллы фазового пространства
[ редактировать ]В зависимости от симметрии в фазовом пространстве кристалл фазового пространства может представлять собой одномерное (1D) состояние с -кратная вращательная симметрия в фазовом пространстве или двумерное (2D) состояние решетки, расширенное на все фазовое пространство. Концепция кристалла фазового пространства для закрытой системы была распространена на открытые квантовые системы и названа диссипативными кристаллами фазового пространства . [2]
З н ПСЦ
[ редактировать ]Фазовое пространство фундаментально отличается от реального пространства, поскольку две координаты фазового пространства не коммутируют, т. е. где – безразмерная постоянная Планка . Лестничный оператор определяется как такой, что . Гамильтониан физической системы также можно записать в функции лестничных операторов . Определив оператор вращения в фазовом пространстве [1] [13] к где с положительное целое число, система имеет -кратная вращательная симметрия или симметрия, если гамильтониан коммутирует с оператором вращения , то есть, В этом случае можно применить теорему Блоха к -кратно симметричный гамильтониан и вычислим зонную структуру . [1] [14] Дискретная вращательно-симметричная структура гамильтониана называется решетка фазового пространства [15] и соответствующие собственные состояния называются кристаллы фазового пространства .
Решетка PSC
[ редактировать ]Дискретная вращательная симметрия может быть расширена до дискретной трансляционной симметрии во всем фазовом пространстве. Для этой цели оператор смещения в фазовом пространстве определяется выражением который имеет свойство , где — комплексное число, соответствующее вектору смещения в фазовом пространстве. Система обладает дискретной трансляционной симметрией, если гамильтониан коммутирует с трансляционным оператором , то есть, Если существуют два элементарных перемещения и которые одновременно удовлетворяют вышеуказанному условию, гамильтониан фазового пространства обладает двумерной симметрией решетки в фазовом пространстве. Однако два оператора смещения в общем случае не коммутативны. . В некоммутативном фазовом пространстве понятие «точки» бессмысленно. Вместо этого когерентное государство определяется как собственное состояние понижающего оператора через . Оператор смещения смещает когерентное состояние с дополнительной фазой, т.е. . Когерентное состояние, которое перемещается по замкнутому пути, например треугольник с тремя ребрами, заданными формулой в фазовом пространстве приобретает геометрический фазовый коэффициент [16] [3] где это закрытая территория. Эта геометрическая фаза аналогична фазе Ааронова–Бома заряженной частицы в магнитном поле. Если магнитная элементарная ячейка решетки и элементарная ячейка соизмеримы, а именно, существуют два целых числа и такой, что , можно рассчитать зонную структуру, определенную в 2D Бриллюэне. Например, спектр гамильтониана решетки квадратного фазового пространства отображает бабочек Хофштадтера структуру полос- [3] [17] которое описывает перескок заряженных частиц между узлами решетки с сильной связью в магнитном поле. [18] В этом случае собственные состояния называются кристаллами двумерной решетки фазового пространства .
Диссипативный ПСХ
[ редактировать ]Концепция кристаллов фазового пространства для закрытой квантовой системы была распространена на открытую квантовую систему . [2] В схемных системах КЭД микроволновый резонатор в сочетании с джозефсоновскими переходами и напряжением смещения под действием -фотонный резонанс может быть описан гамильтонианом приближения вращающейся волны (RWA). с симметрия фазового пространства, описанная выше. Когда преобладают однофотонные потери, диссипативная динамика резонатора описывается следующим основным уравнением ( уравнением Линдблада ) где это уровень потерь и супероператор называется лиувиллианом . Можно вычислить собственный спектр и соответствующие собственные операторы лиувиллиана системы. .Обратите внимание, что не только гамильтониан, но и лиувиллиан инвариантны относительно -кратная вращательная операция, т.е. с и . Эта симметрия играет решающую роль в распространении концепции кристаллов фазового пространства на открытую квантовую систему. В результате собственные операторы Лиувилля имеют структуру мод Блоха в фазовом пространстве, которая называется диссипативным кристаллом фазового пространства . [2]
Многочастичные кристаллы фазового пространства
[ редактировать ]Понятие кристалла фазового пространства может быть распространено на системы взаимодействующих частиц, где оно относится к состоянию многих тел, имеющему кристаллическую структуру, подобную твердому телу, в фазовом пространстве. [3] [4] [12] В этом случае важную роль играет взаимодействие частиц. В реальном пространстве гамильтониан многих тел, подвергнутый пертурбативному периодическому воздействию (с периодом ) определяется Обычно потенциал взаимодействия является функцией расстояния двух частиц в реальном пространстве. Перейдя во вращающуюся систему отсчета с движущей частотой и адаптировав приближение вращающейся волны (RWA), можно получить эффективный гамильтониан. [15] [5] Здесь, - стробоскопическое положение и импульс -й частицы, а именно принимают значения в целом кратном периоду вождения . Чтобы иметь кристаллическую структуру в фазовом пространстве, эффективное взаимодействие в фазовом пространстве должно быть инвариантным относительно дискретных операций вращения или поступательного движения в фазовом пространстве.
Взаимодействия в фазовом пространстве
[ редактировать ]В классической динамике в главном порядке эффективный потенциал взаимодействия в фазовом пространстве представляет собой усредненное по времени взаимодействие в реальном пространстве за один период движения. Здесь, представляет собой траекторию -я частица в отсутствие движущего поля. Для модельного степенного взаимодействия потенциала с целыми и полуцелыми числами , прямой интеграл, заданный приведенной выше формулой среднего по времени, расходится, т. е. Для устранения расходимости была введена процедура перенормировки [19] и правильное взаимодействие в фазовом пространстве является функцией расстояния в фазовом пространстве. в самолет. Для кулоновского потенциала , результат по-прежнему сохраняет форму закона Кулона с точностью до логарифмического перенормированного «заряда». , где это число Эйлера . Для , перенормированный потенциал взаимодействия в фазовом пространстве равен [19] где является фактором столкновения. Для частного случая , эффективного взаимодействия в фазовом пространстве нет, поскольку является константой относительно фазового расстояния. В целом для случая , взаимодействие в фазовом пространстве растет с увеличением фазового расстояния . Для взаимодействия твердых сфер ( ), взаимодействие в фазовом пространстве ведет себя как конфайнмент-взаимодействие между кварками в квантовой хромодинамике (КХД). Вышеописанное взаимодействие в фазовом пространстве действительно инвариантно относительно дискретных операций вращения или поступательного движения в фазовом пространстве. В сочетании с потенциалом решетки фазового пространства от движения существует стабильный режим, в котором частицы периодически располагаются в фазовом пространстве, образуя многочастичные кристаллы фазового пространства . [3] [4] [12]
В квантовой механике точечная частица заменяется квантовым волновым пакетом, и проблема расходимости естественным образом избегается. низшего порядка Для разложения Магнуса для системы Флоке квантовое взаимодействие двух частиц в фазовом пространстве представляет собой усредненное по времени взаимодействие в реальном пространстве над периодическим двухчастичным квантовым состоянием. следующее. [20] [3] В представлении когерентных состояний взаимодействие в квантовом фазовом пространстве приближается к классическому взаимодействию в фазовом пространстве в пределе больших расстояний. [3] Для бозонных ультрахолодных атомов с отталкивающим контактным взаимодействием, отскакивая от колеблющегося зеркала, возможно образование изолятороподобного состояния Мотта в решетка фазового пространства. [20] [15] В этом случае существует четко определенное количество частиц в каждом потенциальном месте, которое можно рассматривать как пример одномерного кристалла фазового пространства многих тел .
Если две неразличимые частицы имеют спины , общее взаимодействие в фазовом пространстве можно записать в виде суммы прямого взаимодействия и обменного взаимодействия . [3] Это означает, что эффект обмена при столкновении двух частиц может вызвать эффективное спин-спиновое взаимодействие. [5]
Вибрации кристаллов фазового пространства
[ редактировать ]Твердые кристаллы определяются периодическим расположением атомов в реальном пространстве; атомы, подчиняющиеся периодическому во времени приводу, также могут образовывать кристаллы в фазовом пространстве. [3] Взаимодействия между этими атомами порождают коллективные колебательные моды, подобные фононам в твердых кристаллах. Кристалл сотового фазового пространства особенно интересен, поскольку колебательная зонная структура имеет две подрешеточные зоны, которые могут иметь нетривиальную топологическую физику. [4] Колебания любых двух атомов связаны парным взаимодействием с внутренне сложными связями. Их сложные фазы имеют простую геометрическую интерпретацию и не могут быть устранены калибровочным преобразованием , что приводит к колебательной зонной структуре с нетривиальными числами Черна и киральными краевыми состояниями в фазовом пространстве. В отличие от всех сценариев топологического переноса в реальном пространстве, киральный перенос фононов фазового пространства может возникнуть без нарушения физической симметрии обращения времени .
Связь с кристаллами времени
[ редактировать ]Кристаллы времени и кристаллы фазового пространства — тесно связанные, но разные концепции. [5] Оба они изучают субгармонические режимы, возникающие в системах с периодическим приводом. Кристаллы времени сосредоточены на процессе спонтанного нарушения симметрии поступательной симметрии дискретного времени (DTTS) и механизме защиты субгармонических режимов в квантовых системах многих тел. Напротив, изучение кристалла фазового пространства фокусируется на дискретной симметрии в фазовом пространстве. Основные моды, составляющие кристалл фазового пространства, не обязательно являются многочастичным состоянием и не обязательно нарушают DTTS, как и для одночастичных кристаллов фазового пространства. Для систем многих тел кристаллы фазового пространства изучают взаимодействие потенциальных субгармонических режимов, которые периодически располагаются в фазовом пространстве. Существует тенденция изучать взаимодействие нескольких кристаллов времени. [21] который придумали как физику конденсированного состояния в кристаллах времени . [22] [15] [23]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Го, Линчжэнь; Марталер, Майкл; Шен, Герд (13 ноября 2013 г.). «Кристаллы фазового пространства: новый способ создания зонной квазиэнергетической структуры» . Письма о физических отзывах . 111 (20): 205303. arXiv : 1305.1800 . Бибкод : 2013PhRvL.111t5303G . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.205303 . ПМИД 24289695 . S2CID 9337383 .
- ^ Jump up to: а б с д Ланг, Бен; Армор, Эндрю Д. (1 марта 2021 г.). «Многофотонные резонансы в схемах джозефсоновского перехода-резонатора». Новый журнал физики . 23 (3): 033021. arXiv : 2012.10149 . Бибкод : 2021NJPh...23c3021L . дои : 10.1088/1367-2630/abe483 . S2CID 229332222 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Лян, Пэнфэй; Марталер, Майкл; Го, Линчжэнь (3 апреля 2018 г.). «Инженерия многих тел Флоке: топология и физика многих тел в решетках фазового пространства». Новый журнал физики . 20 (2): 023043. arXiv : 1710.09716 . Бибкод : 2018NJPh...20b3043L . дои : 10.1088/1367-2630/aaa7c3 . S2CID 3275846 .
- ^ Jump up to: а б с д и Го, Линчжэнь; Пеано, Витторио; Марквардт, Флориан (3 марта 2022 г.). «Кристаллические колебания фазового пространства: киральные краевые состояния с сохраненной симметрией обращения времени». Физический обзор B . 105 (9): 094301. arXiv : 2105.06989 . Бибкод : 2022PhRvB.105i4301G . дои : 10.1103/PhysRevB.105.094301 . S2CID 234680134 .
- ^ Jump up to: а б с д и Го, Линчжэнь (2021). Кристаллы фазового пространства: конденсированное вещество в динамических системах . IOP Publishing Ltd. Бристоль, Великобритания: ISBN 978-0-7503-3563-8 .
- ^ фон Нейман, Джон (1955). Математические основы квантовой механики . Принстон, штат Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. п. 406.
- ^ Габор, Д. (1946). «Теория связи». Дж. Инст. Электр. англ . 93 : 429–457.
- ^ Добеши, И. (1990). «Вейвлет-преобразование, частотно-временная локализация и анализ сигналов». Транзакции IEEE по теории информации . 36 (5): 961–1005. Бибкод : 1990ITIT...36..961D . дои : 10.1109/18.57199 .
- ^ Зак, Дж (1 февраля 1992 г.). «Тождества для орбиталей уровня Ландау» . Письма по еврофизике (EPL) . 17 (5): 443–448. Бибкод : 1992EL.....17..443Z . дои : 10.1209/0295-5075/17/5/011 . S2CID 250911987 .
- ^ Заславский, Г.М. (2008). Гамильтонов хаос и дробная динамика (1-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0199535484 .
- ^ Заславский, Георгий (11 октября 2007 г.). «Веб-карта Заславского» . Схоларпедия . 2 (10): 3369. Бибкод : 2007SchpJ...2.3369Z . дои : 10.4249/scholarpedia.3369 .
- ^ Jump up to: а б с Ханнафорд, Питер; Саша, Кшиштоф (декабрь 2022 г.). «Физика конденсированного состояния в больших кристаллах дискретного времени». Бюллетень ААППС . 32 (1): 12. arXiv : 2202.05544 . Бибкод : 2022APPSB..32...12H . дои : 10.1007/s43673-022-00041-8 . S2CID 246823338 .
- ^ Гримсмо, Арне Л.; Комбс, Джошуа; Бараджола, Бен К. (6 марта 2020 г.). «Квантовые вычисления с вращательно-симметричными бозонными кодами». Физический обзор X . 10 (1): 011058.arXiv : 1901.08071 . Бибкод : 2020PhRvX..10a1058G . дои : 10.1103/PhysRevX.10.011058 . S2CID 119383352 .
- ^ Го, Линчжэнь; Марталер, Майкл (1 февраля 2016 г.). «Синтез решетчатых структур в фазовом пространстве» . Новый журнал физики . 18 (2): 023006. arXiv : 1410.3795 . Бибкод : 2016NJPh...18b3006G . дои : 10.1088/1367-2630/18/2/023006 . S2CID 117684029 .
- ^ Jump up to: а б с д Го, Линчжэнь; Лян, Пэнфэй (1 июля 2020 г.). «Физика конденсированного состояния в кристаллах времени». Новый журнал физики . 22 (7): 075003. arXiv : 2005.03138 . Бибкод : 2020NJPh...22g5003G . дои : 10.1088/1367-2630/ab9d54 . S2CID 218538401 .
- ^ Печал, М.; Бергер, С.; Абдумаликов А.А.; Финк, Дж. М.; Млынек, Дж. А.; Стеффен, Л.; Вальраф, А.; Филипп, С. (23 апреля 2012 г.). «Геометрическая фаза и неадиабатические эффекты в электронном гармоническом генераторе». Письма о физических отзывах . 108 (17): 170401. arXiv : 1109.1157 . Бибкод : 2012PhRvL.108q0401P . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.170401 . ПМИД 22680840 . S2CID 22269801 .
- ^ Биллам, ТП; Гардинер, SA (20 августа 2009 г.). «Квантовые резонансы в атомно-оптическом гармоническом генераторе с δ-ударом» (PDF) . Физический обзор А. 80 (2): 023414. arXiv : 0809.4373 . Бибкод : 2009PhRvA..80b3414B . дои : 10.1103/PhysRevA.80.023414 . S2CID 118574456 .
- ^ Хофштадтер, Дуглас Р. (15 сентября 1976 г.). «Уровни энергии и волновые функции блоховских электронов в рациональных и иррациональных магнитных полях». Физический обзор B . 14 (6): 2239–2249. Бибкод : 1976PhRvB..14.2239H . дои : 10.1103/PhysRevB.14.2239 .
- ^ Jump up to: а б Го, Линчжэнь; Лю, Модан; Марталер, Майкл (20 мая 2016 г.). «Эффективное взаимодействие на больших расстояниях из взаимодействия на коротких расстояниях в одномерной классической системе с периодическим приводом» . Физический обзор А. 93 (5): 053616. arXiv : 1503.03096 . Бибкод : 2016PhRvA..93e3616G . дои : 10.1103/PhysRevA.93.053616 . S2CID 19442809 .
- ^ Jump up to: а б Саша, Кшиштоф (1 сентября 2015 г.). «Локализация Андерсона и изоляторная фаза Мотта во временной области» . Научные отчеты . 5 (1): 10787. arXiv : 1502.02507 . Бибкод : 2015НатСР...510787С . дои : 10.1038/srep10787 . ПМЦ 4466589 . ПМИД 26074169 .
- ^ Аутти, С.; Хейккинен, П.Дж.; Мякинен, Дж. Т.; Воловик, Г.Э.; Завьялов В.В.; Ельцов, В.Б. (февраль 2021 г.). «Эффект AC Джозефсона между двумя сверхтекучими кристаллами времени» (PDF) . Природные материалы . 20 (2): 171–174. arXiv : 2003.06313 . Бибкод : 2021NatMa..20..171A . дои : 10.1038/s41563-020-0780-y . ПМИД 32807922 . S2CID 212717702 .
- ^ Саша, Кшиштоф; Закшевский, Якуб (1 января 2018 г.). «Кристаллы времени: обзор». Отчеты о прогрессе в физике . 81 (1): 016401. arXiv : 1704.03735 . Бибкод : 2018РПФ...81а6401С . дои : 10.1088/1361-6633/aa8b38 . ПМИД 28885193 . S2CID 28224975 .
- ^ Саша, Кшиштоф (2020). «Физика конденсированного состояния во временном измерении». Кристаллы Времени . Серия Springer по атомной, оптической физике и физике плазмы. Том. 114. стр. 173–235. дои : 10.1007/978-3-030-52523-1_5 . ISBN 978-3-030-52522-4 . S2CID 226488734 .