Probing novel phases of matter with artificial quantum simulators: the interplay between disorder and
correlations in equilibrium and out-of-equilibrium many-body quantum lattices

FIRB 2012_RBFR12NLNA_003 ArtiQuS

Finanziamento del: Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca (MIUR)  
Calls: FIRB
Data inizio: 2013-03-20  Data fine: 2016-03-20
Budget totale: EUR 861.089,00  Quota INO del budget totale: EUR 336.562,00
Responsabile scientifico: Rossini Davide    Responsabile scientifico per INO: D’Errico Chiara

Principale Organizzazione/Istituzione/Azienda assegnataria: Scuola Normale Superiore di Pisa

altre Organizzazione/Istituzione/Azienda coinvolte:

altro personale INO coinvolto:

Modugno Giovanni


Abstract: ArtiQuS (ARTIficial Quantum Simulators) si occupa della realizzazione di strutture artificiali appositamente costruite per riprodurre, con pieno controllo, sistemi quantistici fortemente correlati, in modo da esplorare il ruolo del disordine e la dinamica. Interfacceremo metodi teorici avanzati con due diversi apparati sperimentali: gas atomici ultrafreddi in reticoli ottici e pozzi quantici in semiconduttori nanofabbricati. Il nostro scopo è quello di creare un network unico e interdisciplinare che unisca giovani fisici, in grado di fare un passo avanti fondamentale nel campo delle simulazioni quantistiche. Nello specifico, ci proponiamo di costruire strutture artificiali su reticolo, sulle quali le particelle quantistiche interagenti (particelle bosoniche per gli atomi freddi, oppure particelle fermioniche per gli elettroni in strutture a semiconduttore) sono in grado di spostarsi da sito a sito. Le scale di energie differenti, la natura dell’interazione e la statistica quantistica in gioco nei due sistemi permetteranno di capire in profondità la fisica a molti corpi dei sistemi su reticolo in bassa dimensionalità.
In particolare analizzeremo due temi di frontiera nella fisica quantistica a molti corpi: gli effetti del disordine e la dinamica fuori dall’equilibrio di sistemi chiusi.
– I sistemi perfettamente ordinati non esistono in natura, e persino deboli perturbazioni di uno stato ideale possono modificarne radicalmente le proprietà. Il nostro scopo è di arrivare ad una caratterizzazione completa delle proprietà statiche dello stato fondamentale di modelli disordinati di tipo Hubbard, per bosoni e fermioni, e per interazioni sia a raggio breve, sia a lungo raggio, comprese le elusive fasi vetrose. Affronteremo anche il problema complicato delle modifiche al diagramma di fase indotte da una temperatura finita. Infine studieremo la stabilità delle fasi quantistiche topologiche in presenza di disordine. Le potenzialità offerte dai nostri due apparati sono immense: da un lato, con gli atomi freddi abbiamo la possibilità di controllare accuratamente il disordine; dall’altro possiamo inserire artificialmente delle impurezze nei reticoli a semiconduttore nanostrutturati, dove l’”entanglement” tra gli elettroni è originato da interazioni coulombiane a lungo raggio.
– La dinamica fuori dall’equilibrio di sistemi quantistici chiusi a molti corpi è un problema dibattuto da molto tempo, a partire dalle origini della meccanica quantistica. Negli ultimi anni, l’interesse verso questa tematica è stato rinvigorito da alcuni spettacolari esperimenti eseguiti con i reticoli ottici, i quali si sono rivelati dei candidati ideali per investigarne gli aspetti. Una delle questioni più interessanti riguarda la termalizzazione di un sistema a molti corpi, a seguito di un cambiamento improvviso di uno dei parametri dell’hamiltoniana. La presenza o l’assenza di disordine potrebbe giocare un ruolo di primo piano nel dettarne il comportamento a tempi lunghi. Dall’altro lato, la formazione di difetti, causata dall’aver oltrepassato una transizione di fase quantistica in modo adiabatico, ricopre anch’essa un ruolo primario nella comprensione e nel controllo di tali sistemi, e potrebbe anche rivelarsi cruciale per gli schemi di calcolo quantistico adiabatico. Le nuove tecniche di preparazione e di misura che pensiamo di implementare nei nostri apparati, insieme allo sviluppo di metodi teorici avanzati per sistemi a molti corpi, numerici ed analitici, ci permetteranno, alla fine del progetto, di raggiungere una comprensione completa dei due temi molto dibattuti che sono stati menzionati sopra.

Esperimenti/Studi INO correlati:
Novel phases of matter with artificial quantum simulators: disorder and correlations in equilibrium and out-of-equilibrium many-body quantum lattices

Risultati scientifici:
1) Observation of a disordered bosonic insulator from weak to strong interactions