Модель Бозе – Хаббарда описывает физику взаимодействующих бесспиновых бозонов на решетке . Она тесно связана с моделью Хаббарда, которая зародилась в физике твердого тела как приблизительное описание сверхпроводящих систем и движения электронов между атомами кристаллического твердого тела. Модель была впервые представлена Гершем и Кноллманом [1] в 1963 году в контексте гранулированных сверхпроводников. (Термин « Бозе » в его названии означает, что частицы в системе являются бозонными..) Модель приобрела известность в 1980-х годах после того, как было обнаружено, что она отражает суть перехода сверхтекучий изолятор гораздо более математически поддающимся обработке, чем модели фермионный металл-изолятор. [2] [3] [4]
Модель Бозе-Хаббарда может быть использована для описания физических систем , таких как бозонные атомы в оптической решетке , [5] , а также некоторые магнитные изоляторы. [6] [7] Кроме того, его также можно обобщить и применить к смесям Бозе – Ферми, и в этом случае соответствующий гамильтониан называется гамильтонианом Бозе – Ферми – Хаббарда.
Гамильтониан [ править ]
Физика этой модели задается гамильтонианом Бозе – Хаббарда:
.
Здесь, означает суммирование по всем соседним узлам решетки, а , а и - операторы бозонного рождения и уничтожения , которые дают количество частиц на узле . Модель параметризуется амплитудой прыжков, описывающей подвижность бозонов в решетке, взаимодействием на узле, которое может быть притягивающим ( ) или отталкивающим ( ), и химическим потенциалом , который по существу устанавливает общее количество частиц. Если не указано иное, обычно фраза «модель Бозе – Хаббарда» относится к случаю, когда взаимодействие на месте является отталкивающим.
Этот гамильтониан имеет глобальную симметрию, что означает, что он инвариантен (т. Е. Его физические свойства не изменяются) при преобразовании . В сверхтекучей фазе эта симметрия самопроизвольно нарушается .
Гильбертово пространство [ править ]
Размерность гильбертова пространства модели Бозе – Хаббарда определяется выражением , где - полное число частиц, а обозначает общее число узлов решетки. При фиксированном или размерность гильбертова пространства растет полиномиально, но при фиксированной плотности бозонов на узел она растет экспоненциально как . Аналогичные гамильтонианы могут быть сформулированы для описания бесспиновых фермионов (модель Ферми-Хаббарда) или смесей различных видов атомов (например, смесей Бозе-Ферми). В случае смеси гильбертово пространство - это просто тензорное произведение гильбертовых пространств отдельных видов. Обычно для моделирования взаимодействия между видами необходимо включать дополнительные термины.
Фазовая диаграмма [ править ]
При нулевой температуре модель Бозе – Хаббарда (в отсутствие беспорядка) находится либо в изолирующем состоянии Мотта при малых , либо в сверхтекучем состоянии в целом . [8] Изолирующие фазы Мотта характеризуются целочисленной плотностью бозонов, наличием энергетической щели для возбуждений между частицами и дырками и нулевой сжимаемостью . Сверхтекучая жидкость характеризуется дальнодействующей фазовой когерентностью, спонтанным нарушением непрерывной симметрии гамильтониана, ненулевой сжимаемостью и сверхтекучей восприимчивостью. При ненулевой температуре в определенных режимах параметров также будет регулярная жидкая фаза, которая не нарушаетсимметрия и не показывает фазовой когерентности. Обе эти фазы экспериментально наблюдались в ультрахолодных атомарных газах. [9]
При наличии беспорядка существует третья фаза « бозе-стекло ». [4] Стекло Бозе является фазой Гриффитса и может рассматриваться как изолятор Мотта, содержащий редкие «лужи» сверхтекучей жидкости. Эти сверхтекучие бассейны не соединены друг с другом, поэтому система остается изолирующей, но их присутствие существенно меняет термодинамику модели. Фаза бозе-стекла характеризуется конечной сжимаемостью, отсутствием щели и бесконечной сверхтекучей восприимчивостью . [4] Несмотря на отсутствие зазора, он является изолирующим, так как низкое туннелирование предотвращает генерацию возбуждений, которые, хотя и близки по энергии, пространственно разделены. Было показано, что стекло Бозе имеет ненулевойЭдвардса-Андерсона параметр порядка [10] [11] , и было предложено , чтобы отобразить реплики нарушения симметрии , [12] , однако это не было доказано.
Теория среднего поля [ править ]
Фазы чистой модели Бозе – Хаббарда можно описать с помощью гамильтониана среднего поля : [13]
Мы можем получить фазовую диаграмму, вычислив энергию этого гамильтониана среднего поля с помощью теории возмущений второго порядка и найдя условие для которого . Для этого сначала запишем гамильтониан как локальный участок плюс возмущение:
Реализация в оптических решетках [ править ]
Ультрахолодные атомы в оптических решетках считаются стандартной реализацией модели Бозе – Хаббарда. Возможность настройки параметров модели с использованием простых экспериментальных методов и отсутствие динамики решетки, которая присутствует в твердотельных электронных системах, означают, что ультрахолодные атомы предлагают очень чистую и управляемую реализацию модели Бозе – Хаббарда. [14] [5] Самым большим недостатком технологии оптических решеток является время жизни ловушки, когда атомы обычно задерживаются только на несколько десятков секунд.
Чтобы понять, почему ультрахолодные атомы предлагают такую удобную реализацию физики Бозе-Хаббарда, мы можем вывести гамильтониан Бозе-Хаббарда, исходя из вторично квантованного гамильтониана, который описывает газ ультрахолодных атомов в оптическом потенциале решетки. Этот гамильтониан задается выражением:
,
где - потенциал оптической решетки, - амплитуда (контактного) взаимодействия, - химический потенциал. В приближении сильной связи приводит к замещению , которое приводит к Бозе-Хаббарда Гамильтон , если один ограничивает физику до самого низкого диапазона ( ) и взаимодействия являются локальными на уровне дискретной моды. Математически это можно сформулировать как требование, за исключением случая . Здесь - функция Ванье для частицы в оптическом потенциале решетки, локализованном вокруг узла решетки, и для й зоны Блоха . [15]
Тонкости и приближения [ править ]
Приближение сильной связи значительно упрощает вторичный квантованный гамильтониан, хотя одновременно вводит несколько ограничений:
- Для одноузельных состояний с несколькими частицами в одном состоянии взаимодействия могут взаимодействовать с более высокими полосами Блоха, что противоречит базовым предположениям. Тем не менее, однополосная модель способна решить физику низких энергий такой настройки, но параметры U и J фактически становятся зависимыми от плотности. Вместо одного параметра U энергию взаимодействия n частиц можно описать близким, но не равным U. [15]
- При рассмотрении (быстрой) динамики решетки к гамильтониану Бозе-Хаббарда следует добавить дополнительные члены, чтобы зависящее от времени уравнение Шредингера соблюдалось в (зависящем от времени) базисе функций Ванье. Они происходят из временной зависимости функций Ванье. [16] [17] В противном случае динамика решетки может быть включена, сделав ключевые параметры модели зависимыми от времени, изменяясь с мгновенным значением оптического потенциала.
Результаты экспериментов [ править ]
Квантовые фазовые переходы в модели Бозе – Хаббарда экспериментально наблюдались Грейнером и др. [9], а параметры взаимодействия, зависящие от плотности, наблюдались группой И. Блоха . [18] Получение изображений модели Бозе – Хаббарда с одноатомным разрешением стало возможным с 2009 года с использованием микроскопов квантового газа. [19] [20] [21]
Дальнейшие применения модели [ править ]
Модель Бозе – Хаббарда также представляет интерес для тех, кто работает в области квантовых вычислений и квантовой информации. С помощью этой модели можно изучить запутывание ультрахолодных атомов. [22]
Численное моделирование [ править ]
При вычислении состояний с низкой энергией член, пропорциональный, означает, что большое заполнение одного узла маловероятно, что позволяет усечь локальное гильбертово пространство до состояний, содержащих не больше частиц. Тогда размерность локального гильбертова пространства равна . Размерность всего гильбертова пространства растет экспоненциально с увеличением числа узлов в решетке, поэтому точное компьютерное моделирование всего гильбертова пространства ограничивается исследованием систем из 15-20 частиц в 15-20 узлы решетки [ ссылка ] . Экспериментальные системы содержат несколько миллионов узлов решетки со средним заполнением выше единицы [ необходима цитата ] .
Одномерные решетки могут быть изучены с использованием ренормализационной группы матрицы плотности (DMRG) и связанных методов, таких как прореживание блоков с временной эволюцией (TEBD). Это включает в себя вычисление основного состояния гамильтониана для систем из тысяч частиц на тысячах узлов решетки и моделирование его динамики, управляемой зависимым от времени уравнением Шредингера . В последнее время двумерные решетки также изучались с использованием спроектированных запутанных парных состояний, которые являются обобщением состояний матричных продуктов в более высоких измерениях, как для основного состояния [23], так и для конечной температуры. [24]
Более высокие размеры значительно труднее из-за быстрого роста запутанности . [25]
Все измерения можно рассматривать с помощью алгоритмов квантового Монте-Карло , которые позволяют изучать свойства тепловых состояний гамильтониана, а также, в частности, основного состояния.
Обобщения [ править ]
Гамильтонианы типа Бозе-Хаббарда могут быть получены для различных физических систем, содержащих ультрахолодный атомный газ в периодическом потенциале. Они включают, но не ограничиваются:
- системы с более дальнодействующими взаимодействиями плотность-плотность формы , которые могут стабилизировать сверхтвердую фазу для определенных значений параметров
- димеризованные магниты, где электроны со спином 1/2 связаны вместе в пары, называемые димерами, которые имеют статистику бозонного возбуждения и описываются жесткой моделью Бозе – Хаббарда.
- дальнодействующее дипольное взаимодействие [26]
- системы с туннельными членами, индуцированными взаимодействием [27]
- внутренняя спиновая структура атомов, например, из-за захвата всего вырожденного многообразия сверхтонких спиновых состояний (при F = 1 i приводит к модели Бозе – Хаббарда со спином 1) [28]
- ситуация, когда в газе ощущается наличие дополнительного потенциала, например для неупорядоченных систем. [29] Беспорядок может быть реализован с помощью спекл-структуры или с помощью второй несоразмерной, более слабой оптической решетки. В последнем случае включение нарушения равносильно включению дополнительного срока в форме:
См. Также [ править ]
- Модель Хаббарда
- Модель Джейнса-Каммингса-Хаббарда
Ссылки [ править ]
- ^ Gersch, H .; Кноллман, Г. (1963). «Квантовая модель ячеек для бозонов». Физический обзор . 129 (2): 959. Bibcode : 1963PhRv..129..959G . DOI : 10.1103 / PhysRev.129.959 .
- ^ Ma, M .; Гальперин, Б.И.; Ли, Пенсильвания (1986-09-01). «Сильно неупорядоченные сверхтекучие жидкости: квантовые флуктуации и критическое поведение». Physical Review B . 34 (5): 3136–3143. Bibcode : 1986PhRvB..34.3136M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.34.3136 . PMID 9940047 .
- ^ Giamarchi, T .; Шульц, HJ (1988-01-01). «Локализация Андерсона и взаимодействия в одномерных металлах». Physical Review B . 37 (1): 325–340. Bibcode : 1988PhRvB..37..325G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.37.325 .
- ^ a b c d Фишер, Мэтью PA; Гринштейн, Г .; Фишер, Дэниел С. (1989). «Локализация бозонов и переход сверхтекучий изолятор» (PDF) . Physical Review B . 40 (1): 546–70. Bibcode : 1989PhRvB..40..546F . DOI : 10.1103 / PhysRevB.40.546 . PMID 9990946 . ,
- ^ a b Jaksch, D .; Золлер, П. (2005). «Набор инструментов Хаббарда холодного атома». Летопись физики . 315 (1): 52. arXiv : cond-mat / 0410614 . Bibcode : 2005AnPhy.315 ... 52J . CiteSeerX 10.1.1.305.9031 . DOI : 10.1016 / j.aop.2004.09.010 .
- ^ Джамарчи, Тьерри; Рюэгг, Кристиан; Чернышёв Олег (2008). «Конденсация Бозе – Эйнштейна в магнитных изоляторах». Физика природы . 4 (3): 198–204. arXiv : 0712.2250 . Bibcode : 2008NatPh ... 4..198G . DOI : 10.1038 / nphys893 .
- ^ Цапф, Вивьен; Хайме, Марсело; Батиста, CD (2014-05-15). «Конденсация Бозе-Эйнштейна в квантовых магнитах» . Обзоры современной физики . 86 (2): 563–614. Bibcode : 2014RvMP ... 86..563Z . DOI : 10.1103 / RevModPhys.86.563 .
- ^ Кюнер, Т .; Моньен, Х. (1998). «Фазы одномерной модели Бозе-Хаббарда». Physical Review B . 58 (22): R14741. arXiv : cond-mat / 9712307 . Bibcode : 1998PhRvB..5814741K . DOI : 10.1103 / PhysRevB.58.R14741 .
- ^ a b Грейнер, Маркус; Мандель, Олаф; Эсслингер, Тилман; Hänsch, Theodor W .; Блох, Иммануил (2002). «Квантовый фазовый переход от сверхтекучего диэлектрика к моттовскому диэлектрику в газе ультрахолодных атомов». Природа . 415 (6867): 39–44. Bibcode : 2002Natur.415 ... 39G . DOI : 10.1038 / 415039a . PMID 11780110 .
- ^ Моррисон, S .; Кантиан, А .; Дейли, AJ; Katzgraber, HG; Lewenstein, M .; Бюхлер, HP; Золлер, П. (2008). «Физические копии и стекло Бозе в холодных атомарных газах» . Новый журнал физики . 10 (7): 073032. arXiv : 0805.0488 . Bibcode : 2008NJPh ... 10g3032M . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 10/7/073032 . ISSN 1367-2630 .
- ^ Томсон, SJ; Уокер, LS; Harte, TL; Брюс, Дж. Д. (03.11.2016). "Измерение параметра порядка Эдвардса-Андерсона бозе-стекла: подход квантового газового микроскопа". Physical Review . 94 (5): 051601. arXiv : 1607.05254 . Bibcode : 2016PhRvA..94e1601T . DOI : 10.1103 / PhysRevA.94.051601 .
- ^ Томсон, SJ; Крюгер, Ф. (2014). «Реплика, нарушающая симметрию в стекле Бозе». EPL . 108 (3): 30002. arXiv : 1312.0515 . Bibcode : 2014EL .... 10830002T . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 108/30002 .
- ^ Sachdev, Subir (2011). Квантовые фазовые переходы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521514682. OCLC 693207153 .
- ^ Jaksch, D .; Bruder, C .; Cirac, J .; Gardiner, C .; Золлер, П. (1998). «Холодные бозонные атомы в оптических решетках». Письма с физическим обзором . 81 (15): 3108. arXiv : cond-mat / 9805329 . Bibcode : 1998PhRvL..81.3108J . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.81.3108 .
- ^ a b Lühmann, DSR; Jürgensen, O .; Сенгсток, К. (2012). «Многоорбитальное и индуцированное плотностью туннелирование бозонов в оптических решетках». Новый журнал физики . 14 (3): 033021. arXiv : 1108.3013 . Bibcode : 2012NJPh ... 14c3021L . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 14/3/033021 .
- ^ Сакманн, К .; Стрельцов А.И.; Алон, О.Е .; Седербаум, LS (2011). «Оптимальные нестационарные решеточные модели для неравновесной динамики». Новый журнал физики . 13 (4): 043003. arXiv : 1006.3530 . Bibcode : 2011NJPh ... 13d3003S . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 13/4/043003 .
- ^ Cki, M .; Закжевский, Дж. (2013). «Быстрая динамика атомов в оптических решетках». Письма с физическим обзором . 110 (6): 065301. arXiv : 1210.7957 . Bibcode : 2013PhRvL.110f5301L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.110.065301 . PMID 23432268 .
- ^ Will, S .; Бест, Т .; Schneider, U .; Hackermüller, L .; Люманн, DSR; Блох, И. (2010). «Разрешенное во времени наблюдение когерентных взаимодействий нескольких тел в квантовых фазах возрождения». Природа . 465 (7295): 197–201. Bibcode : 2010Natur.465..197W . DOI : 10,1038 / природа09036 . PMID 20463733 .
- ^ Бакр, Васим S .; Гиллен, Джонатон I .; Пэн, Эми; Фёллинг, Саймон; Грейнер, Маркус (2009). «Квантовый газовый микроскоп для обнаружения одиночных атомов в оптической решетке режима Хаббарда». Природа . 462 (7269): 74–77. arXiv : 0908.0174 . Bibcode : 2009Natur.462 ... 74В . DOI : 10,1038 / природа08482 . PMID 19890326 .
- ^ Бакр, WS; Peng, A .; Tai, ME; Ma, R .; Саймон, Дж .; Gillen, JI; Fölling, S .; Pollet, L .; Грейнер, М. (30.07.2010). «Исследование перехода сверхтекучего диэлектрика в изолятор Мотта на одноатомном уровне». Наука . 329 (5991): 547–550. arXiv : 1006.0754 . Bibcode : 2010Sci ... 329..547B . DOI : 10.1126 / science.1192368 . ISSN 0036-8075 . PMID 20558666 .
- ^ Weitenberg, Christof; Эндрес, Мануэль; Шерсон, Джейкоб Ф .; Шено, Марк; Шаус, Питер; Фукухара, Такеши; Блох, Иммануил; Кухр, Стефан (2011). «Односпиновая адресация в атомном изоляторе Мотта». Природа . 471 (7338): 319–324. arXiv : 1101.2076 . Bibcode : 2011Natur.471..319W . DOI : 10,1038 / природа09827 . PMID 21412333 .
- ^ Ромеро-Изарт, О; Eckert, K; Родо, К; Санпера, А (2007). «Перенос и генерация запутанности в модели Бозе – Хаббарда». Журнал физики A: математический и теоретический . 40 (28): 8019–31. arXiv : квант-ph / 0703177 . Bibcode : 2007JPhA ... 40.8019R . DOI : 10.1088 / 1751-8113 / 40/28 / S11 .
- ^ Иордания, J; Orus, R; Видаль, Г. (2009). «Численное исследование жесткой модели Бозе-Хаббарда на бесконечной квадратной решетке». Phys. Rev. B . 79 (17): 174515. arXiv : 0901.0420 . Bibcode : 2009PhRvB..79q4515J . DOI : 10.1103 / PhysRevB.79.174515 .
- ^ Kshetrimayum, A .; Рицци, М .; Eisert, J .; Орус, Р. (2019). "Алгоритм отжига тензорной сети для двумерных тепловых состояний". Phys. Rev. Lett . 122 (7): 070502. arXiv : 1809.08258 . Bibcode : 2019PhRvL.122g0502K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.122.070502 .
- ^ Eisert, J .; Cramer, M .; Пленио, МБ (2010). «Коллоквиум: законы площади для энтропии запутанности». Обзоры современной физики . 82 (1): 277. arXiv : 0808.3773 . Bibcode : 2010RvMP ... 82..277E . DOI : 10.1103 / RevModPhys.82.277 .
- ^ Góral, K .; Santos, L .; Левенштейн, М. (2002). «Квантовые фазы диполярных бозонов в оптических решетках». Письма с физическим обзором . 88 (17): 170406. arXiv : cond-mat / 0112363 . Bibcode : 2002PhRvL..88q0406G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.88.170406 . PMID 12005738 .
- ^ Sowiński, T .; Dutta, O .; Hauke, P .; Tagliacozzo, L .; Левенштейн, М. (2012). «Диполярные молекулы в оптических решетках». Письма с физическим обзором . 108 (11): 115301. arXiv : 1109.4782 . Bibcode : 2012PhRvL.108k5301S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.108.115301 . PMID 22540482 .
- ^ Tsuchiya, S .; Kurihara, S .; Кимура, Т. (2004). «Сверхтекучий изоляторный переход бозонов со спином 1 в оптической решетке». Physical Review . 70 (4): 043628. arXiv : cond-mat / 0209676 . Bibcode : 2004PhRvA..70d3628T . DOI : 10.1103 / PhysRevA.70.043628 .
- ^ Gurarie, V .; Pollet, L .; Прокофьев Н.В.; Свистунов Б.В.; Тройер, М. (2009). «Фазовая диаграмма неупорядоченной модели Бозе-Хаббарда» . Physical Review B . 80 (21): 214519. arXiv : 0909.4593 . Bibcode : 2009PhRvB..80u4519G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.80.214519 .