Observation of disorder-induced superfluidity

Sintesi Tecnica: Osservazione della Superfluidità Indotta dal Disordine

Problema
L'interazione tra disordine e interazioni nei sistemi quantistici a molti corpi porta tipicamente alla localizzazione, sopprimendo la mobilità delle particelle necessaria per la coerenza di fase a lungo raggio. Nel modello Bose-Hubbard standard, l'aumento del disordine guida una transizione da un superfluido (SF) a un isolante di Mott (MI) e successivamente a un vetro di Bose (BG), una fase isolante priva di gap. Sebbene proposte teoriche e simulazioni numeriche avessero suggerito l'esistenza di una fase superfluidica "re-entrante" indotta dal disordine — dove il tunneling risonante tra siti con specifiche detunings potrebbe ripristinare la coerenza globale — prove sperimentali definitive per questo fenomeno sono rimaste elusive. Le sfide primarie sono state la difficoltà nel sintetizzare materiali con disordine sintonizzabile e l'incapacità dei simulatori quantistici esistenti di risolvere le quantità dinamiche necessarie per distinguere tra isolanti vetrosi e veri superfluidi.

Metodologia
Gli autori hanno utilizzato un processore quantistico superconduttore sviluppato da Google Quantum AI, configurato come un array bidimensionale di risonatori non lineari accoppiati (transmon). Limitando la dinamica ai tre livelli energetici più bassi ($|0\rangle, |1\rangle, |2\rangle$), il sistema simula efficacemente dei qutrit, permettendo lo studio di bosoni fortemente interagenti descritti dal modello di Bose-Hubbard:
$$H = -J \sum_{\langle i,j \rangle} (a^\dagger_i a_j + \text{h.c.}) + \frac{U}{2} \sum_i n_i(n_i-1) - \sum_i \mu_i n_i$$
Le principali capacità sperimentali includevano:

• Parametri Sintonizzabili: Controllo indipendente del hopping tra vicini più prossimi ($J$) e della forza del disordine on-site ($W$), dove $\mu_i$ è estratto da una distribuzione uniforme di ampiezza $W$.
• Preparazione dello Stato: Rampa adiabatica da uno stato prodotto ($|1\rangle^{\otimes N}$) ai parametri dell'Hamiltoniana target.
• Misurazione della Compressione: Per distinguere tra stati ergodici (superfluidi) e non ergodici (vetrosi), gli autori hanno impiegato due distinti protocolli di preparazione dello stato analoghi agli esperimenti sui vetri classici: Zero-Field Cooled (ZFC) e Field-Cooled (FC). La compressibilità ($\kappa$) è stata misurata applicando un gradiente di potenziale statico e osservando la risposta della densità.
• Correlazione e Frazione del Condensato: Correlatori spaziali a due punti ($C_{ij} = \langle a^\dagger_i a_j \rangle$) sono stati misurati utilizzando un protocollo che prevede rotazioni microonde locali (rotazioni di Givens) e misure del numero per costruire la matrice di densità a singola particella (SPDM). Il più grande autovalore della SPDM ha fornito la frazione del condensato ($n_0$).
• Fattore di Struttura Dinamico: Lo spettro di eccitazione è stato sondato tramite spettroscopia di Bragg, applicando una modulazione di potenziale spazio-temporale per misurare la risposta del sistema e identificare i modi collettivi.

Contributi Chiave e Risultati

1. Mappatura del Diagramma di Fase: Lo studio ha mappato con successo il diagramma di fase dei bosoni interagenti in un paesaggio disordinato. Ha identificato l'isolante di Mott (gapped, incomprimibile), il vetro di Bose (senza gap, incomprimibile, non ergodico) e la fase superfluidica.
2. Evidenza della Superfluidità Indotta dal Disordine: Il risultato centrale è l'osservazione di una fase superfluidica che emerge a forze di disordine intermedie o forti ($W \sim U$) e basso hopping ($J$).
   • Compressibilità: Il sistema ha mostrato una transizione verso uno stato comprimibile all'aumentare del disordine. Crucialmente, nel regime di alto disordine, i valori di compressibilità differivano tra i protocolli ZFC e FC ($\Delta \kappa \neq 0$), segnalando un comportamento vetroso non ergodico nelle fasi circostanti, mentre la regione superfluidica mostrava caratteristiche distinte.
   • Frazione del Condensato: Le misurazioni della frazione del condensato hanno rivelato una dipendenza non monotona dal disordine. Una significativa frazione del condensato è emersa e ha raggiunto un picco quando la forza del disordine era comparabile all'interazione on-site ($W \approx U$), indicando la formazione di uno stato coerente macroscopico nonostante il disordine.
   • Meccanismo di Tunneling Risonante: I dati supportano il meccanismo in cui il disordine induce risonanze tra siti con detuning reciproco $U$. Queste risonanze facilitano la formazione di coppie particella-lacuna (doublon e holon), che agiscono come portatori mobili che ripristinano la coerenza di fase globale, creando efficacemente "pozze" di superfluidità che percolano in uno stato globale.
3. Segnatura Dinamica: Le misurazioni del fattore di struttura dinamico hanno rivelato un modo fononico a dispersione lineare (modo di Bogoliubov) nella fase superfluidica disordinata. Questo modo, caratteristico della superfluidità, è apparso anche quando il disordine veniva introdotto in un isolante di Mott pulito, sebbene la velocità del suono fosse soppressa rispetto al caso pulito a causa della ridotta densità superfluidica.

Significatività
L'articolo fornisce una forte evidenza sperimentale dell'esistenza della superfluidità indotta dal disordine nel modello Bose-Hubbard, un fenomeno che era stato teoricamente proposto ma non verificato sperimentalmente. I risultati dimostrano che il disordine non porta sempre alla localizzazione; sotto specifiche condizioni che coinvolgono sistemi multi-livello e tunneling risonante, esso può potenziare la mobilità e indurre coerenza a lungo raggio. Questo lavoro colma il divario tra le previsioni teoriche di fasi superfluidiche re-entranti e la realtà sperimentale, offrendo intuizioni sulla transizione vetro-superfluido sporita rilevante per sistemi come film sottili, superconduttori granulari e, potenzialmente, cuprati ad alta $T_c$, dove la superconduttività emerge da isolanti di Mott drogati. Lo studio evidenzia inoltre l'utilità dei processori quantistici superconduttori nel simulare la fisica complessa a molti corpi con disordine sintonizzabile e nel misurare quantità dinamiche difficili da accedere in altre piattaforme.