Observation of disorder-induced superfluidity

Resumo Técnico: Observação de Superfluidez Induzida por Desordem

Definição do Problema
A interação entre desordem e interações em sistemas de muitos corpos quânticos tipicamente leva à localização, suprimindo a mobilidade de partículas necessária para a coerência de fase de longo alcance. No modelo Bose-Hubbard padrão, o aumento da desordem impulsiona uma transição de um superfluido (SF) para um isolante de Mott (MI) e, subsequentemente, para um vidro de Bose (BG), uma fase isolante sem gap. Embora propostas teóricas e simulações numéricas tenham sugerido a existência de uma fase superfluida "reentrante" induzida pela desordem — onde o tunelamento ressonante entre sítios com detunamentos específicos poderia restaurar a coerência global — evidências experimentais definitivas para este fenômeno permaneceram elusivas. Os principais desafios têm sido a dificuldade em sintetizar materiais com desordem ajustável e a incapacidade dos simuladores quânticos existentes em resolver as quantidades dinâmicas necessárias para distinguir entre isolantes vítreos e verdadeiros superfluidos.

Metodologia
Os autores utilizaram um processador quântico supercondutor desenvolvido pela Google Quantum AI, configurado como um arranjo bidimensional de ressonadores não lineares acoplados (transmons). Ao restringir a dinâmica aos três níveis de energia mais baixos ($|0\rangle, |1\rangle, |2\rangle$), o sistema efetivamente simula qutrits, permitindo o estudo de bósons fortemente interagentes descritos pelo modelo Bose-Hubbard:
$$H = -J \sum_{\langle i,j \rangle} (a^\dagger_i a_j + \text{h.c.}) + \frac{U}{2} \sum_i n_i(n_i-1) - \sum_i \mu_i n_i$$
As principais capacidades experimentais incluíram:

• Parâmetros Ajustáveis: Controle independente do salto de vizinhos mais próximos ($J$) e da força da desordem no sítio ($W$), onde $\mu_i$ é extraído de uma distribuição uniforme de largura $W$.
• Preparação de Estado: Rampa adiabática de um estado produto ($|1\rangle^{\otimes N}$) para os parâmetros do Hamiltoniano alvo.
• Medição de Compressibilidade: Para distinguir entre estados ergódicos (superfluido) e não ergódicos (vítreos), os autores empregaram dois protocolos distintos de preparação de estado análogos a experimentos clássicos de vidro: Resfriamento com Campo Zero (ZFC) e Resfriamento com Campo (FC). A compressibilidade ($\kappa$) foi medida aplicando um gradiente de potencial estático e observando a resposta de densidade.
• Correlação e Fração de Condensado: Correladores de dois pontos espacialmente resolvidos ($C_{ij} = \langle a^\dagger_i a_j \rangle$) foram medidos usando um protocolo envolvendo rotações de micro-ondas locais (rotações de Givens) e medições de número para construir a matriz de densidade de partícula única (SPDM). O maior autovalor da SPDM forneceu a fração de condensado ($n_0$).
• Fator Estrutural Dinâmico: O espectro de excitação foi sondado via espectroscopia de Bragg, aplicando uma modulação de potencial espaço-temporal para medir a resposta do sistema e identificar modos coletivos.

Principais Contribuições e Resultados

1. Mapeamento do Diagrama de Fases: O estudo mapeou com sucesso o diagrama de fases de bósons interagentes em um cenário de desordem. Ele identificou o isolante de Mott (com gap, incompressível), o vidro de Bose (sem gap, incompressível, não ergódico) e a fase superfluida.
2. Evidência de Superfluidez Induzida por Desordem: O achado central é a observação de uma fase superfluida emergindo em forças de desordem intermediárias a fortes ($W \sim U$) e baixo salto ($J$).
   • Compressibilidade: O sistema exibiu uma transição para um estado compressível conforme a desordem aumentava. Crucialmente, no regime de alta desordem, os valores de compressibilidade diferiram entre os protocolos ZFC e FC ($\Delta \kappa \neq 0$), sinalizando comportamento vítreo não ergódico nas fases circundantes, enquanto a região superfluida mostrou características distintas.
   • Fração de Condensado: Medições da fração de condensado revelaram uma dependência não monotônica da desordem. Uma fração de condensado significativa emergiu e atingiu o pico quando a força da desordem era comparável à interação no sítio ($W \approx U$), indicando a formação de um estado coerente macroscópico apesar da desordem.
   • Mecanismo de Tunelamento Ressonante: Os dados apoiam o mecanismo onde a desordem induz ressonâncias entre sítios com detunamento mútuo $U$. Essas ressonâncias facilitam a formação de pares partícula-buraco (dobrões e holons), que atuam como portadores móveis que restauram a coerência de fase global, efetivamente criando "poças" de superfluidade que percolam em um estado global.
3. Assinatura Dinâmica: As medições do fator estrutural dinâmico revelaram um modo de fônon de dispersão linear (modo de Bogoliubov) na fase superfluida desordenada. Este modo, característico da superfluidade, apareceu mesmo quando a desordem foi introduzida em um isolante de Mott limpo, embora a velocidade do som tenha sido suprimida em relação ao caso limpo devido à redução da densidade superfluida.

Significância
O artigo fornece evidências experimentais robustas para a existência de superfluididade induzida por desordem no modelo Bose-Hubbard, um fenômeno que havia sido proposto teoricamente, mas não verificado experimentalmente. Os resultados demonstram que a desordem nem sempre leva à localização; sob condições específicas envolvendo sistemas de múltiplos níveis e tunelamento ressonante, ela pode aumentar a mobilidade e induzir coerência de longo alcance. Este trabalho une a lacuna entre as previsões teóricas de fases superfluidas reentrantes e a realidade experimental, oferecendo insights sobre a transição vidro superfluido-isolante "suja" relevante para sistemas como filmes finos, supercondutores granulares e, potencialmente, cupratos de alta $T_c$, onde a supercondutividade emerge de isolantes de Mott dopados. O estudo também destaca a utilidade de processadores quânticos supercondutores para simular física de muitos corpos complexos com desordem ajustável e medir quantidades dinâmicas que são difíceis de acessar em outras plataformas.