Jump to content

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]

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]

  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ фон Нейман, Джон (1955). Математические основы квантовой механики . Принстон, штат Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. п. 406.
  7. ^ Габор, Д. (1946). «Теория связи». Дж. Инст. Электр. англ . 93 : 429–457.
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ Заславский, Г.М. (2008). Гамильтонов хаос и дробная динамика (1-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0199535484 .
  11. ^ Заславский, Георгий (11 октября 2007 г.). «Веб-карта Заславского» . Схоларпедия . 2 (10): 3369. Бибкод : 2007SchpJ...2.3369Z . дои : 10.4249/scholarpedia.3369 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 29390bcd297ddf53254fd7c9ac87afa5__1718188080
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/29/a5/29390bcd297ddf53254fd7c9ac87afa5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Phase space crystal - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)