Observation of disorder-induced superfluidity

Technische Samenvatting: Observatie van door wanorde geïnduceerde superfluiditeit

Probleemstelling
De wisselwerking tussen wanorde en interacties in kwantumveel-deeltjessystemen leidt doorgaans tot lokalisatie, wat de mobiliteit van deeltjes onderdrukt die nodig is voor lang reikende fasecoherentie. In het standaard Bose-Hubbard-model drijft toenemende wanorde een transitie aan van een superfluid (SF) naar een Mott-isolator (MI) en vervolgens naar een Bose-glas (BG), een gaploze isolerende fase. Hoewel theoretische voorstellen en numerieke simulaties een "re-entrant" superfluid fase hebben gesuggereerd die door wanorde wordt geïnduceerd—waarbij resonant tunnelen tussen locaties met specifieke detunings de globale coherentie kan herstellen—is definitief experimenteel bewijs voor dit fenomeen tot nu toe uitbleven. De primaire uitdagingen waren de moeilijkheid om materialen te synthetiseren met regelbare wanorde en het onvermogen van bestaande kwantumsimulatoren om de noodzakelijke dynamische grootheden te resolveren om tussen glasachtige isolatoren en echte superfluïden te onderscheiden.

Methodologie
De auteurs maakten gebruik van een supergeleidende kwantumprocessor ontwikkeld door Google Quantum AI, geconfigureerd als een twee-dimensionale array van gekoppelde niet-lineaire resonatoren (transmonen). Door de dynamica te beperken tot de laagste drie energieniveaus ($|0\rangle, |1\rangle, |2\rangle$), simuleert het systeem effectief qutrits, waardoor de studie van sterk interagerende bosonen beschreven door het Bose-Hubbard-model mogelijk wordt:
$$H = -J \sum_{\langle i,j \rangle} (a^\dagger_i a_j + \text{h.c.}) + \frac{U}{2} \sum_i n_i(n_i-1) - \sum_i \mu_i n_i$$
Belangrijke experimentele mogelijkheden omvatten:

• Regelbare Parameters: Onafhankelijke controle over naburige hopping ($J$) en on-site wanordekracht ($W$), waarbij $\mu_i$ wordt getrokken uit een uniforme distributie met breedte $W$.
• Toestandsvoorbereiding: Adiabatisch oprampelen vanaf een producttoestand ($|1\rangle^{\otimes N}$) naar de doel-Hamiltoniaan parameters.
• Compressibiliteitsmeting: Om tussen ergodische (superfluid) en niet-ergodische (glasachtige) toestanden te onderscheiden, gebruikten de auteurs twee verschillende toestandsvoorbereidingsprotocollen analoog aan klassieke glasexperimenten: Zero-Field Cooled (ZFC) en Field-Cooled (FC). De compressibiliteit ($\kappa$) werd gemeten door een statisch potentiaalgradiënt toe te passen en de dichtheidsrespons te observeren.
• Correlatie en Condensaatfractie: Ruimtelijk opgeloste twee-puntscorrelaties ($C_{ij} = \langle a^\dagger_i a_j \rangle$) werden gemeten met behulp van een protocol dat lokale microgolfrotaties (Givens-rotaties) en getalsmetingen omvat om de single-particle density matrix (SPDM) te construeren. De grootste eigenwaarde van de SPDM leverde de condensaatfractie ($n_0$) op.
• Dynamische Structuurfactor: Het excitatiespectrum werd geprobd via Bragg-spectroscopie, waarbij een spatiotemporele potentiaalmodulatie werd toegepast om de respons van het systeem te meten en collectieve modi te identificeren.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. Mapping van het Fasediagram: De studie heeft succesvol het fasediagram van interagerende bosonen in een landschap van wanorde in kaart gebracht. Het identificeerde de Mott-isolator (gegapte, onsamendrukbare), het Bose-glas (gaploze, onsamendrukbare, niet-ergodische) en de superfluid fase.
2. Bewijs voor door wanorde geïnduceerde superfluiditeit: De centrale bevinding is de observatie van een superfluid fase die verschijnt bij intermediaire tot sterke wanordekrachten ($W \sim U$) en lage hopping ($J$).
   • Compressibiliteit: Het systeem vertoonde een transitie naar een samendrukbare toestand naarmate de wanorde toenam. Cruciaal was dat de compressibiliteitswaarden in het hoge wanorde-regime verschilden tussen de ZFC- en FC-protocollen ($\Delta \kappa \neq 0$), wat duidt op niet-ergodisch glasachtig gedrag in de omliggende fasen, terwijl de superfluid regio afwijkende kenmerken vertoonde.
   • Condensaatfractie: Metingen van de condensaatfractie onthulden een niet-monotone afhankelijkheid van wanorde. Een significante condensaatfractie ontstond en piekte wanneer de wanordekracht vergelijkbaar was met de on-site interactie ($W \approx U$), wat wijst op de vorming van een macroscopische coherente toestand ondanks de wanorde.
   • Resonant Tunnelmechanisme: De data ondersteunen het mechanisme waarbij wanorde resonanties induceert tussen locaties met wederzijdse detuning $U$. Deze resonanties faciliteren de vorming van deeltje-gat paren (doublons en holons), die fungeren als mobiele dragers die globale fasecoherentie herstellen, wat effectief "puddles" van superfluiditeit creëert die uitmonden in een globale toestand.
3. Dynamische Signatuur: De metingen van de dynamische structuurfactor onthulden een lineair dispergerende fononmode (Bogoliubov-mode) in de gedisordeerde superfluid fase. Deze mode, kenmerkend voor superfluiditeit, verscheen zelfs wanneer wanorde werd geïntroduceerd in een zuivere Mott-isolator, hoewel de geluidssnelheid werd onderdrukt ten opzichte van het zuivere geval door de verminderde superfluid dichtheid.

Betekenis
Dit artikel levert sterk experimenteel bewijs voor het bestaan van door wanorde geïnduceerde superfluiditeit in het Bose-Hubbard-model, een fenomeen dat weliswaar theoretisch was voorgesteld, maar nog niet experimenteel was geverifieerd. De resultaten tonen aan dat wanorde niet altijd tot lokalisatie leidt; onder specifieke condities waarbij meer-niveau systemen en resonant tunnelen betrokken zijn, kan het de mobiliteit verhogen en lang reikende coherentie induceren. Dit werk overbrugt de kloof tussen theoretische voorspellingen van re-entrant superfluid fasen en de experimentele realiteit, en biedt inzichten in de "dirty superfluid–insulator" transitie die relevant is voor systemen zoals dunne films, korrelige supergeleiders en potentieel hoog-$T_c$ cupraten, waar supergeleidbaarheid voortkomt uit gedoteerde Mott-isolatoren. De studie benadrukt ook het nut van supergeleidende kwantumprocessors voor het simuleren van complexe veel-deeltjessystemen met regelbare wanorde en het meten van dynamische grootheden die moeilijk toegankelijk zijn op andere platforms.