Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Dynamics of a Nonequilibrium Discontinuous Quantum Phase Transition in a Spinor Bose-Einstein Condensate

Published 27 Dec 2023 in cond-mat.quant-gas, cond-mat.stat-mech, hep-th, and quant-ph | (2312.16555v2)

Abstract: Symmetry-breaking quantum phase transitions lead to the production of topological defects or domain walls in a wide range of physical systems. In second-order transitions, these exhibit universal scaling laws described by the Kibble-Zurek mechanism, but for first-order transitions a similarly universal approach is still lacking. Here we propose a spinor Bose-Einstein condensate as a testbed system where critical scaling behavior in a first-order quantum phase transition can be understood from generic properties. We demonstrate the applicability of the Kibble-Zurek mechanism for this transition to determine the critical exponents for: (1) the onset of the decay of the metastable state on short times scales, and (2) the number of resulting phase-separated ferromagnetic domains at longer times, as a one-dimensional spin-1 condensate is ramped across a first-order quantum phase transition. The predictions are in excellent agreement with mean-field numerical simulations and provide a paradigm for studying the decay of metastable states in experimentally accessible systems.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (50)
  1. T. W. Kibble, Phys. Rep. 67, 183 (1980).
  2. A. Mazumdar and G. White, Rep. Prog. Phys. 82, 076901 (2019).
  3. T. Langen, R. Geiger, and J. Schmiedmayer, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 6, 201 (2015).
  4. P. C. Hohenberg and B. I. Halperin, Rev. Mod. Phys. 49, 435 (1977).
  5. N. Goldenfeld, Lectures on Phase Transitions and the Renormalization Group (CRC Press, 1992).
  6. J. Dziarmaga, Adv. Phys. 59, 1063 (2010).
  7. A. Del Campo and W. H. Zurek, Int. J. Mod. Phys. A 29, 1430018 (2014).
  8. T. W. Kibble, J. Phys. Math. Gen. 9, 1387 (1976).
  9. W. H. Zurek, Nature 317, 505 (1985).
  10. W. Zurek, Acta Phys. Pol. B 24, 1301 (1993).
  11. W. H. Zurek, Phys. Rep. 276, 177 (1996).
  12. C.-W. Liu, A. Polkovnikov, and A. W. Sandvik, Phys. Rev. B 89, 054307 (2014).
  13. J. Beugnon and N. Navon, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 50, 022002 (2017).
  14. J. Dziarmaga, Phys. Rev. Lett. 95, 245701 (2005).
  15. B. Damski, Phys. Rev. Lett. 95, 035701 (2005).
  16. I. B. Coulamy, A. Saguia, and M. S. Sarandy, Phys. Rev. E 95, 022127 (2017).
  17. A. Pelissetto, D. Rossini, and E. Vicari, Phys. Rev. E 97, 052148 (2018).
  18. A. Pelissetto, D. Rossini, and E. Vicari, Phys. Rev. E 102, 012143 (2020).
  19. A. Sinha, T. Chanda, and J. Dziarmaga, Phys. Rev. B 103, L220302 (2021).
  20. T. P. Billam, K. Brown, and I. G. Moss, Phys. Rev. A 105, L041301 (2022).
  21. S. Coleman, Phys. Rev. D 15, 2929 (1977).
  22. W. H. Zurek, U. Dorner, and P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 95, 105701 (2005).
  23. P. Krüger, Z. Hadzibabic, and J. Dalibard, Phys. Rev. Lett. 99, 040402 (2007).
  24. R. Barnett, A. Polkovnikov, and M. Vengalattore, Phys. Rev. A 84, 023606 (2011).
  25. L. M. Symes and P. B. Blakie, Phys. Rev. E 95, 013311 (2017).
  26. C.-M. Schmied, T. Gasenzer, and P. B. Blakie, Phys. Rev. A 100, 033603 (2019).
  27. Y. Kawaguchi and M. Ueda, Phys. Rep. 520, 253 (2012).
  28. D. M. Stamper-Kurn and M. Ueda, Rev. Mod. Phys. 85, 1191 (2013).
  29. K. Murata, H. Saito, and M. Ueda, Phys. Rev. A 75, 013607 (2007).
  30. M. O. Borgh, J. Lovegrove, and J. Ruostekoski, New. J. Phys. 16, 053046 (2014).
  31. M. Matuszewski, T. J. Alexander, and Y. S. Kivshar, Phys. Rev. A 80, 023602 (2009).
  32. B. Damski and W. H. Zurek, Phys. Rev. A 73, 063405 (2006).
  33. B. Damski and W. H. Zurek, Phys. Rev. Lett. 99, 130402 (2007).
  34. A. Lamacraft, Phys. Rev. Lett. 98, 160404 (2007).
  35. H. Saito, Y. Kawaguchi, and M. Ueda, Phys. Rev. A 75, 013621 (2007a).
  36. H. Saito, Y. Kawaguchi, and M. Ueda, Phys. Rev. A 76, 043613 (2007b).
  37. L. A. Williamson and P. B. Blakie, Phys. Rev. A 94, 063615 (2016).
  38. S. Suzuki and A. Dutta, Phys. Rev. B 92, 064419 (2015).
  39. M. Nauenberg, J. Phys. A: Math. Gen. 8, 925 (1975).
  40. M. E. Fisher and A. N. Berker, Phys. Rev. B 26, 2507 (1982).
  41. J. Sabbatini, W. H. Zurek, and M. J. Davis, Phys. Rev. Lett. 107, 230402 (2011).
  42. J. Sabbatini, W. H. Zurek, and M. J. Davis, New J. Phys. 14, 095030 (2012).
  43. N. N. Klausen, J. L. Bohn, and C. H. Greene, Phys. Rev. A 64, 053602 (2001).
  44. S. Uchino, M. Kobayashi, and M. Ueda, Phys. Rev. A 81, 063632 (2010).
  45. H. Saito, Y. Kawaguchi, and M. Ueda, J. Phys. Condens. Matter 25, 404212 (2013).
  46. L. M. Symes, R. I. McLachlan, and P. B. Blakie, Phys. Rev. E 93, 053309 (2016).
  47. L. Turban and F. Iglói, Phys. Rev. B 66, 014440 (2002).
  48. M. A. Continentino and A. S. Ferreira, Phys. Stat. Mech. Its Appl. 339, 461 (2004).
  49. M. Continentino, Quantum Scaling in Many-Body Systems: An Approach to Quantum Phase Transitions, 2nd ed. (Cambridge University Press, Cambridge, 2017).
  50. U. Divakaran, A. Dutta, and D. Sen, Phys. Rev. B 78, 144301 (2008).
Citations (1)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 0 likes about this paper.

Sign Up for Free