Simulatori quantistici artificiali per lo studio di nuove fasi della materia: disordine e correlazioni in sistemi quantistici a molti corpi su reticol

L’esperimento, nel contesto del progetto ArtiQuS finanziato dal MIUR (RBFR12NLNA), ha l’obiettivo generale di studiare nuove fasi quantistiche di bosoni in reticoli in presenza di disordine e in sistemi fuori dall’equilibrio equilibrio. L’esperimento si svolge in un apparato di atomi ultrafreddi ospitato presso il Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non-lineare (LENS), dove siamo in grado di produrre sistemi bosonici 1D con disordine e interazioni controllabili, e in collaborazione con le unità teoriche situate alla Scuola Normale Superiore (SNS) di Pisa e presso l’Università di Padova. Sul primo argomento ci proponiamo di caratterizzare completamente il regime fortemente correlato in presenza di disordine a temperatura finita. Stabilendo una connessione con la teoria a temperatura nulla, avremo la prima vera caratterizzazione delle varie fasi quantistiche previste in un sistema bosonico disordinato. Nel secondo argomento studieremo la termalizzazione di un sistema a molti corpi unidimensionale in presenza di un quench quantistico nell’attraversare una transizione di fase quantistica. La combinazione delle dinamiche fuori dall’ equilibrio con il disordine aprirà un nuovo e affascinante campo di studi.
ArtiQuS è iniziato a marzo 2013 e allo stato dell’arte attuale si è focalizzato sulla caratterizzazione del primo argomento. Combinando misure di coerenza, di trasporto e gli spettri di eccitazione, si è ottenuta la prova di un regime isolante che si estende da debole a forte interazione e circonda un regime superfluido, in accordo generale con la teoria fatta a temperatura zero [1]. Questo primo confronto fra un esperimento a temperatura finita e la teoria a temperatura zero ha permesso di aprire il percorso a un’indagine pionieristica dell’effetto della temperatura su un isolante bosonico disordinato [2].
Abbiamo anche studiato il trasporto dipendente dal momento di bosoni 1D disordinati e impiegando l’annullamento del momento critico per l’instabilità osservata si riesce a osservare la transizione da fluido a isolante guidata dal disordine, sul piano interazione-disordine [3]. L’instabilità osservata suggerisce l’attivazione quantistica di phase slips, ma uno studio dettagliato del damping misurato nell’oscillazione in un reticolo debole si è rivelato necessario per determinare la natura quantistica degli eventi di phase slips [4-6] e ha permesso l’osservazione della transizione all’isolante di Mott per reticoli deboli [7].

[1] C. D’Errico, E. Lucioni, L. Tanzi, L. Gori, G. Roux, I. P. McCulloch, T. Giamarchi, M. Inguscio, and G. Modugno, Observation of a Disordered Bosonic Insulator from Weak to Strong Interactions, Phys. Rev. Lett. 113, 095301 (2014).
[2] L. Gori et al., Finite temperature e ffects on a disordered bosonic insulator, Phys. Rev. A 93, 033650 (2016).
[3] L. Tanzi, E. Lucioni, S. Chaudhuri, L. Gori, A. Kumar, C. D’Errico, M. Inguscio, and G. Modugno, Transport of a Bose Gas in 1D Disordered Lattices at the Fluid-Insulator Transition, Phys. Rev. Lett.111, 115301 (2013).
[4] L. Tanzi et al., Velocity-dependent quantum phase slips in 1D atomic superfluids, Sci. Rep. 6, 25965 (2016).
[5] S. Scaffidi Abbate et al., Exploring quantum phase slips in 1D bosonic systems, Eur. Phys. J. Special Topics 226, 2815-2827 (2017).
[6] C. D’Errico et al., Quantum Phase Slips: from condensed matter to ultracold quantum gases, Phil. Trans. R. Soc. A 20160425 (2017).
[7] G. Boéris et al., Phys. Rev. A 93, 011601(R) (2016).