Observation of disorder-induced superfluidity

Resumen Técnico: Observación de la Superfluidez Inducida por el Desorden

Planteamiento del Problema
La interacción entre el desorden y las interacciones en sistemas de muchos cuerpos cuánticos suele conducir a la localización, suprimiendo la movilidad de las partículas necesaria para la coherencia de fase de largo alcance. En el modelo de Bose-Hubbard estándar, el aumento del desorden impulsa una transición de un superfluido (SF) a un aislante de Mott (MI) y, posteriormente, a un vidrio de Bose (BG), una fase aislante sin brecha (gapless). Si bien las propuestas teóricas y las simulaciones numéricas han sugerido la existencia de una fase superfluida "reentrante" inducida por el desorden —donde el túnel resonante entre sitios con desajustes (detunings) específicos podría restaurar la coherencia global—, la evidencia experimental definitiva para este fenómeno ha permanecido esquiva. Los desafíos principales han sido la dificultad para sintetizar materiales con desorden ajustable y la incapacidad de los simuladores cuánticos existentes para resolver las cantidades dinámicas necesarias para distinguir entre aislantes vítreos y superfluidos verdaderos.

Metodología
Los autores utilizaron un procesador cuántico superconductor desarrollado por Google Quantum AI, configurado como un arreglo bidimensional de resonadores no lineales acoplados (transmones). Al restringir la dinámica a los tres niveles de energía más bajos ($|0\rangle, |1\rangle, |2\rangle$), el sistema simula efectivamente qutrits, lo que permite el estudio de bosones fuertemente interactuantes descritos por el modelo de Bose-Hubbard:
$$H = -J \sum_{\langle i,j \rangle} (a^\dagger_i a_j + \text{h.c.}) + \frac{U}{2} \sum_i n_i(n_i-1) - \sum_i \mu_i n_i$$
Las capacidades experimentales clave incluyeron:

• Parámetros Ajustables: Control independiente del salto (hopping) de vecinos más cercanos ($J$) y de la fuerza del desorden en el sitio ($W$), donde $\mu_i$ se extrae de una distribución uniforme de ancho $W$.
• Preparación de Estados: Rampas adiabáticas desde un estado producto ($|1\rangle^{\otimes N}$) hacia los parámetros del Hamiltoniano objetivo.
• Medición de la Compresibilidad: Para distinguir entre estados ergódicos (superfluido) y no ergódicos (vítreos), los autores emplearon dos protocolos de preparación de estados distintos, análogos a los experimentos clásicos de vidrios: Enfriamiento con Campo Cero (ZFC) y Enfriamiento con Campo (FC). La compresibilidad ($\kappa$) se midió aplicando un gradiente de potencial estático y observando la respuesta de densidad.
• Correlación y Fracción del Condensado: Se midieron correladores de dos puntos espacialmente resueltos ($C_{ij} = \langle a^\dagger_i a_j \rangle$) mediante un protocolo que involucra rotaciones de microondas locales (rotaciones de Givens) y mediciones de número para construir la matriz de densidad de partícula única (SPDM). El autovalor más grande de la SPDM proporcionó la fracción del condensado ($n_0$).
• Factor de Estructura Dinámica: El espectro de excitación se sondeó mediante espectroscopia de Bragg, aplicando una modulación de potencial espaciotemporal para medir la respuesta del sistema e identificar modos colectivos.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Mapeo del Diagrama de Fases: El estudio mapeó con éxito el diagrama de fases de bosones interactuantes en un entorno desordenado. Identificó el aislante de Mott (con brecha, incompresible), el vidrio de Bose (sin brecha, incompresible, no ergódico) y la fase de superfluido.
2. Evidencia de la Superfluidez Inducida por el Desorden: El hallazgo central es la observación de una fase de superfluido que emerge en fuerzas de desorden intermedias a fuertes ($W \sim U$) y bajo salto ($J$).
   • Compresibilidad: El sistema exhibió una transición hacia un estado compresible a medida que el desorden aumentaba. Crucialmente, en el régimen de alto desorden, los valores de compresibilidad difirieron entre los protocolos ZFC y FC ($\Delta \kappa \neq 0$), señalando un comportamiento vítreo no ergódico en las fases circundantes, mientras que la región superfluida mostró características distintas.
   • Fracción del Condensado: Las mediciones de la fracción del condensado revelaron una dependencia no monotónica con el desorden. Surgió una fracción de condensado significativa que alcanzó su máximo cuando la fuerza del desorden era comparable a la interacción en el sitio ($W \approx U$), indicando la formación de un estado coherente macroscópico a pesar del desorden.
   • Mecanismo de Túnel Resonante: Los datos respaldan el mecanismo donde el desorden induce resonancias entre sitios con un desajuste mutuo $U$. Estas resonancias facilitan la formación de pares partícula-hueco (doblones y huecos), que actúan como portadores móviles que restauran la coherencia de fase global, creando efectivamente "charcos" de superfluidez que percolan hacia un estado global.
3. Signatura Dinámica: Las mediciones del factor de estructura dinámica revelaron un modo fonón de dispersión lineal (modo de Bogoliubov) en la fase de superfluido desordenada. Este modo, característico de la superfluidez, apareció incluso cuando se introdujo el desorden en un aislante de Mott limpio, aunque la velocidad del sonido se vio suprimida en comparación con el caso limpio debido a la reducción de la densidad de superfluido.

Significancia
Este artículo proporciona una fuerte evidencia experimental de la existencia de la superfluidez inducida por el desorden en el modelo de Bose-Hubbard, un fenómeno que había sido propuesto teóricamente pero no verificado experimentalmente. Los resultados demuestran que el desorden no siempre conduce a la localización; bajo condiciones específicas que involucran sistemas de múltiples niveles y túnel resonante, puede mejorar la movilidad e inducir coherencia de largo alcance. Este trabajo cierra la brecha entre las predicciones teóricas de las fases superfluidas reentrantes y la realidad experimental, ofreciendo perspectivas sobre la transición de superfluido sucio-aislante relevante para sistemas como películas delgadas, superconductores granulares y, potencialmente, cupratos de alta $T_c$, donde la superconductividad emerge de aislantes de Mott dopados. El estudio también destaca la utilidad de los procesadores cuánticos superconductores para simular la física compleja de muchos cuerpos con desorden ajustable y medir cantidades dinámicas que son difíciles de acceder en otras plataformas.