Topological Defects and Geometrical Frustration in Fourier Photonic Simulator

挫折感 物理 格子(音乐) 相变 经典XY模型 光子学 统计物理学 拓扑(电路) 自旋(空气动力学) 过剩 临界现象 几何挫折 六边形晶格 自旋模型 傅里叶变换 蜂巢 相(物质) 计算机科学 拓扑缺陷 复杂系统 光子晶体 凝聚态物理 理论物理学
作者
Yuxuan Sun,Weiru Fan,Xingqi Xu,Da-Wei Wang,Hai-Qing Lin
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:135 (25): 257101-257101
标识
DOI:10.1103/tgt8-gb13
摘要

The XY models with continuous spin orientation play a pivotal role in understanding topological phase transitions and emergent frustration phenomena such as superconducting and superfluid phase transitions. However, the complex energy landscapes arising from frustrated lattice geometries and competing spin interactions make these models computationally intractable. To address this challenge, we designed a programmable photonic spin simulator capable of emulating the XY models with tunable lattice geometries and spin couplings, allowing systematic exploration of their statistical properties. We experimentally observed the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in a square-lattice XY model with nearest-neighbor interactions and determined its critical temperature. Expanding to frustrated systems, we implemented the approach in triangular and honeycomb lattices, uncovering sophisticated phase transitions and frustration effects, which were consistent with theoretical predictions. This versatile platform opens avenues for probing unexplored XY model phenomena across diverse geometries and interaction schemes, with potential applications in solving complex optimization and machine learning problems.
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