Correlaciones cuánticas en estados de cuasiequilibrio preparados por RMN en sólidos

J. A. TABOADA; C. E. GONZÁLEZ; H. H. SEGNORILE; R. C. ZAMAR

Bariloche

Congreso; 107a Reunión de la Asociación Física Argentina; 2022

En los sistemas ´many-body´ formados por espines nucleares en sólidos y cristaleslíquidos es posible, a través de la resonancia magnética nuclear (RMN), preparar estadosque se comportan como cuasi-invariantes [1]. Dichos estados de no equilibrio,denominados comúnmente .orden dipolar.o çuasi-equilibrio"(QE), son usualmente interpretadoscomo estados termodinámicos, y caracterizados fenomenológicamente poruna ´temperatura de espín´, que tiende a la temperatura del baño o ambiente cuandoel sistema relaja finalmente al equilibrio térmico [2].En estudios recientes [3], nuestro grupo demostró, desde primeros principios, quelos sistemas de espines acoplados dipolarmente, y en presencia de un ambiente colectivode bosones, presentan una evolución irreversible de un estado cuántico inicial(quench), debido al proceso de decoherencia cuántica adiabática. Este proceso conduceal operador densidad a una forma diagonal en la base preferida, y en una escala detiempo compatible con la de la llegada al cuasi-equilibrio. De esta manera, un estadoQE surge de la evolución cuántica natural a partir de una condición inicial. Dichoestado relaja finalmente al equilibrio térmico.En este trabajo nos proponemos estudiar el contenido y la dinámica de la cuanticidadde un estado QE. Para ello utilizamos sistemas de sólidos hidratados y estudiamosla evolución del discord como una medida de la correlación cuántica [4], a lo largode todo el proceso de termalización; esto es: (a) durante la decoherencia, en dondedescribimos a la dinámica del operador densidad con el mecanismo de la referencia[3], y (b) en el régimen de relajación, el cual es gobernado por la ecuación maestramarkoviana de altas temperaturas [5]. Como resultado, obtenemos que en el régimende decoherencia el discord refleja un comportamiento oscilatorio amortiguado de lascorrelaciones, hasta que alcanza un valor constante asociado con el estado QE. Porotro lado, en el régimen de relajación las correlaciones decaen monótonamente a cero,de forma compatible con un estado de equilibrio a campo alto. Además, se observaque los tiempos característicos del discord aumentan a medida que la temperaturaaumenta, como consecuencia del acople entre los cuasi-invariantes ´energía intrapar´y ´singlete´. Esto contrasta con el régimen de decoherencia, en donde la tasa dedecoherencia es independiente de la temperatura. También se halló que, debido a lanaturaleza diagonal en bloques de la matriz densidad en la base preferida, es posiblereescribir a las correlaciones en términos de los valores de expectación de observablesaccesibles a través de un experimento de RMN. Se observa que, en general, la correlacióncuántica y los valores de expectación de los cuasi-invariantes decaen con tasasdiferentes.El problema estudiado en este trabajo tiene características similares a los que se plantean actualmente en el contexto de la equilibración y termalización cuántica desistemas con varias ´constantes de movimiento´ (quantum equilibration and thermalization)[6]. Asimismo, el análisis realizado permite comprender la fenomenología dela termodinámica de espín desde un punto de vista microscópico.[1] C. J. Bonin, C. E. González, H. H. Segnorile, and R. C. Zamar, Evidencefor several dipolar quasi-invariants in liquid crystals, J. Of Chem. Phys. 139, 144907(2013).[2] M. Goldman, Spin Temperature and NMR in Solids, (Clarendon, Oxford) 1970[3] H.H. Segnorile, C.E. González and R.C. Zamar, Adiabatic quantum decoherencein many non-interacting subsystems induced by the coupling with a commonboson bath, Annals of Physics 434 (2021) 168655.[4] H. Ollivier, W.H. Zurek, Quantum Discord: A Measure of the Quantumness ofCorrelations, Phys. Rev. Lett. 88 017901 (2001)[5] A. Abragam, Principles of Nuclear Magnetism, in: International Series of Monographson Physics, Oxford University Press, 1983.[6] M. Rigol, V. Dunjko and M Olshanii, Thermalization and its mechanism forgeneric isolated quantum systems, Nature 452, 854 (2008).