نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• آذر وفافرد ¹
• علیرضا نورمندی پور ²
• روبرتو فرانزوسی ³

¹ - دانشکده فیزیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران - مرکز فناوری کوانتومی، دانشگاه تبریز، ایران

² گروه فیزیک، دانشگاه صنعتی سیرجان، سیرجان، ایران

³ دانشکده علوم فیزیکی، زمین و محیط (DSFTA)، دانشگاه سیِنا، سیِنا، ایتالیا

چکیده

گذار فاز پدیده ای اساسی در فیزیک است که با تغییرات ناگهانی در ویژگی‌های یک سامانه مشخص می‌شوند. در حالی‌که گذار فاز کلاسیک به دلیل نوسانات حرارتی رخ می دهد، گذار فاز کوانتومی (QPTs) ناشی از نوسانات کوانتومی در دمای صفر هستند. در این پژوهش، امکان شکل‌گیری QPT ها را در سامانه‌های الکترودینامیک کوانتومی کاواک را با استفاده از اصل وَردِش وابسته به زمان (TDVP) که یک رویکرد نیمه کلاسیک برای تجزیه و تحلیل سامانه‌های کوانتومی پیچیده است، بررسی می کنیم. با شروع از الگوی رابی، که در آن یک کیوبیت منفرد با یک میدان کاواک تک مد برهم‌کنش می‌کند، تأثیر جملات پادچرخشی را بر روی ویژگی‌های حالت پایه سامانه بررسی می‌کنیم. سپس به تجزیه و تحلیل الگوی جِینز–کامینگز که در آن تقریب موج چرخان برقرار است، و در نهایت، به الگوی دیکه که در آن برهم‌کنش جمعی کیوبیت‌های متعدد با مد بوزونی  در نظر گرفته شده است، می‌پردازیم. برای هر الگو، روابط تحلیلی مربوط به ویژگی‌های حالت پایه استخراج شده و مقادیر بحرانی ثابت جفت‌شدگی که نشانه‌ی وقوع گذار فاز هستند، تعیین می‌شوند. این نتایج نشان می‌دهند که گذار فاز کوانتومی مرتبه دوم، از جمله فازهای ابرتابشی با رفتارهای متمایز حالت پایه، بیانگر توانمندی روش TDVP در فهم و تحلیل QPTs در گستره‌ی وسیعی از سامانه‌ها است

کلیدواژه‌ها

• اصل وردش وابسته به زمان
• هامیلتونی
• گذار فاز کوانتومی
• کیوبیت

موضوعات

• فیزیک اتمی مولکولی

عنوان مقاله [English]

Time-dependent variational principle treatment of quantum phase transition

نویسندگان [English]

• Azar Vafafard ¹
• Alireza Nourmandipour ²
• Roberto Franzosi ³

¹ -Faculty of Physics, University of Tabriz, Tabriz, Iran -Quantum Technology Center, University of Tabriz, Iran

² Department of Physics, Sirjan University of Technology, Sirjan, Iran

³ DSFTA, University of Siena, Siena, Italy

چکیده [English]

Phase transitions are fundamental phenomena in physics, characterized by abrupt changes in the properties of a system. While classical phase transitions occur due to thermal fluctuations, quantum phase transitions (QPTs) are driven by quantum fluctuations at zero temperature. In this work, we explore the presence of QPTs in cavity quantum electrodynamics systems using the Time-Dependent Variational Principle (TDVP), a semi-classical approach for analyzing complex quantum systems. Beginning with the Rabi model, where a single qubit interacts with a single-mode cavity field, we examine the influence of counter-rotating terms on the system's ground state properties. Subsequently, we extend our analysis to the Jaynes-Cummings model, where rotating-wave approximation applies, and finally, to the Dicke model, which considers the collective interaction of multiple qubits with a bosonic mode. For each model, we derive analytical expressions for the ground state properties and identify critical coupling strengths indicative of phase transitions. Our findings reveal second-order quantum phase transitions, including superradiant phases with distinct ground state behaviors, emphasizing the utility of TDVP in understanding QPTs across a variety of systems.

کلیدواژه‌ها [English]

• time-dependent variation principle
• Hamiltonian
• quantum phase transition
• qubit