Fenomeni quantistici collettivi: dai sistemi fortemente correlati ai simulatori quantistici
PRIN 2010LLKJBX
Finanziamento del: Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca (MIUR)
Calls: PRIN 2010
Data inizio: 2012-10-25 Data fine: 2015-10-24
Budget totale: EUR 1.975.913,00 Quota INO del budget totale: EUR 160.997,00
Responsabile scientifico: Casati Giulio Responsabile scientifico per INO: Minardi Francesco
Calls: PRIN 2010
Data inizio: 2012-10-25 Data fine: 2015-10-24
Budget totale: EUR 1.975.913,00 Quota INO del budget totale: EUR 160.997,00
Responsabile scientifico: Casati Giulio Responsabile scientifico per INO: Minardi Francesco
Principale Organizzazione/Istituzione/Azienda assegnataria: Università degli studi Insubria Varese-Como
altre Organizzazione/Istituzione/Azienda coinvolte:
Abstract: Obiettivi finali che il Progetto si propone di raggiungere
Un’ampia varietà di sistemi metallici, magnetici e superconduttori esibisce proprietà che derivano direttamente dall’esistenza di forti interazioni locali. Progressi in quest’area di ricerca sono importanti per due ordini di ragioni. Da un lato essi consentono di rispondere a questioni fondamentali nelle scienze di base. D’altra parte tali progressi possono portare a svolte decisive nello sviluppo di tecnologie quantistiche, sia in quelle esistenti (materiali magnetici, materiali superconduttori) sia in quelle emergenti, come, ad esempio la computazione quantistica e i nano-dispositivi. Comprendere le proprietà dei sistemi fortemente correlati rappresenta così una delle sfide più importanti della fisica della materia condensata e della fisica statistica. La presente proposta accoglie questa sfida organizzando in questo consorzio fisici sperimentali e teorici con competenze complementari, in maniera tale da permettere così di sviluppare sinergie e collaborazioni tra gruppi di ricerca che già affrontano questi problemi da diverse prospettive. L’obiettivo finale che la presente proposta intende raggiungere consiste in un significativo avanzamento delle nostre conoscenze sul diagramma di fase di equilibrio, sulla dinamica di non-equilibrio, e sulle proprietà di trasporto di una varietà di sistemi in cui le forti interazioni locali giochino un ruolo dominante. Oggi è possibile studiare sistemi fortemente correlati con diversi tipi di tecniche. Per quanto riguarda l’aspetto sperimentale, oltre all’indagine diretta dei sistemi di materia condensata basati sulle interazioni elettroniche, è possibile simulare le loro proprietà tramite esperimenti in ambienti artificialmente realizzati e controllati, i cosiddetti emulatori quantistici. A partire dall’ultimo decennio, si può certamente affermare che i gas atomici ultrafreddi su reticoli ottici sono i sistemi ideali per realizzare questo scopo. Sul piano teorico, negli ultimi anni sono state sviluppate e rafforzate alcune potenti tecniche numeriche che si basano su metodologie che, originariamente concepite nell’ambito della teoria dell’informazione quantistica, sono state successivamente applicate allo studio dei sistemi a molti corpi.
Il presente consorzio, grazie alla scelta delle varie unità di ricerca, incarna e integra tutti questi diversi approcci. Il lavoro sperimentale sarà principalmente focalizzato sui gas atomici ultrafreddi in reticoli ottici. Oltre alla stretta collaborazione con i fisici sperimentali del consorzio, il ruolo della componente teorica sarà quello di studiare una varietà di sistemi fortemente correlati e di sviluppare e integrare nel progetto una serie di metodologie dell’informazione quantistica applicate allo studio della materia condensata e dei sistemi atomici. Particolare attenzione sarà dedicata allo studio delle proprietà che possono portare ad una comprensione fisica dei meccanismi in grado di preservare la coerenza e l’entanglement in sistemi quantistici compositi, ovvero i due ingredienti fondamentali di qualsiasi tecnologia quantistica emergente.
Al fine di raggiungere la meta fondamentale del progetto, lo schema del piano di ricerca è di realizzare i seguenti tre obiettivi principali.
Obiettivo 1) Indagine dettagliata, sviluppata attraverso uno sforzo congiunto sperimentale e teorico, di sistemi di atomi ultrafreddi su reticoli ottici, con particolare attenzione alla loro dinamica di non-equilibrio, alla loro capacità di simulare (quantisticamente) sistemi isolanti, magnetici, e superfluidi.
Obiettivo 2) Studio approfondito dei sistemi fortemente correlati dal punto di vista della teoria dell’informazione quantistica. Questo obiettivo generale comprende una caratterizzazione di sistemi fortemente interagenti mediante quantificatori (entanglement, entropie,…) della struttura dello stato fondamentale e delle sue correlazioni, e un’analisi dell’efficienza degli schemi di simulazione numerica sviluppati utilizzando metodologie dell’informazione quantistica. In quest’ambito le competenze complementari in fisica dei sistemi fortemente correlati e in teoria dell’informazione quantistica verranno sfruttate e integrate per fornire un valore aggiunto all’intero progetto.
Obiettivo 3) Analisi numeriche estese di modelli su reticolo e di sistemi quantistici complessi realistici per la determinazione accurata del loro diagramma di fase sia nello stato fondamentale sia all’equilibrio termodinamico, utilizzando tecniche di simulazione applicate direttamente ai sistemi “naturali” basati sulle interazioni tra elettroni, per confrontare e integrare i risultati ottenuti con i metodi degli emulatori quantistici e dell’informazione quantistica negli Obiettivi 1 e 2.
I tre obiettivi di cui sopra costituiscono un ponte ideale tra sistemi fortemente correlati artificiali e materiali reali. Al fine di migliorare la nostra comprensione dei materiali reali studieremo teoricamente e realizzeremo sperimentalmente i “simulatori quantistici” (Obiettivo 1); utilizzeremo una serie di metodi della teoria dell’informazione quantistica (Obiettivo 2); e svilupperemo estese analisi numeriche (Obiettivo 3) con lo scopo ultimo sia di descrivere più in profondità i sistemi reali di materia condensata sia di identificare i meccanismi microscopici alla base delle tecnologie quantistiche emergenti e future.
In particolare:
1) Ci proponiamo di realizzare sperimentalmente hamiltoniane di tipo Hubbard con atomi ultrafreddi (Bose, Fermi o miscele) e studiare il loro diagramma di fase quantistico, al fine di simulare i modelli di spin associati e rivelarne le fasi magnetiche. A tal fine si svilupperanno schemi di rilevazione per misurare le funzioni di correlazione statiche e dinamiche. Saranno sviluppate tecniche interferometriche atomiche che permetteranno di accedere direttamente alle proprietà quantistiche macroscopiche del sistema. Nel caso di miscele di diversi tipi di atomi lo studio della dinamica delle impurezze rivestirà un ruolo particolarmente importante. Sul piano teorico ci proponiamo di studiare le proprietà di equilibrio e di non-equilibrio di sistemi atomici su reticoli ottici, utilizzando classi innovative di hamiltoniane a molti corpi, di funzionali di densità di energia, di approcci variazionali di tipo Gutzwiller, e di equazioni di trasporto.
2) Integreremo i nostri sforzi per utilizzare nuovi metodi dell’informazione quantistica nello studio dei sistemi a molti corpi. Verrà studiato il rapporto tra entanglement (sia bipartito sia multipartito) , frustrazione, e ordine topologico. In termini più generali il nostro obiettivo è quello di determinare quantificatori universali della complessità dei fenomeni fisici, inclusi i fenomeni quantistici collettivi. I metodi molto potenti della teoria della stima quantistica saranno modificati e adattati per estrarre informazioni dalle funzioni d’onda a molti corpi. Metteremo a frutto le competenze complementari sui metodi variazionali e sui metodi tensor network per sviluppare nuovi approcci variazionali appositamente progettati per lo studio dei sistemi a molti corpi sia all’equilibrio sia in situazioni di non equilibrio.
3) La conoscenza fondamentale degli stati quantisticamente correlati della materia, ottenuta attraverso lo studio di hamiltoniane modello secondo gli schemi descritti nei due obiettivi precedenti è di grande rilievo per la descrizione di sistemi realistici, electron-based. In quest’ambito si presterà particolare attenzione al comportamento di tipo liquido di spin, all’effetto Kondo in nano-dispositivi, ai sistemi di elettroni in due dimensioni, e alla superconduttività non convenzionale. La maggior parte del lavoro sarà basato su metodi numerici, tra cui la diagonalizzazione esatta Lanczos-augmented, e metodi di Monte Carlo quantistico, ma il confronto con gli esperimenti, disponibili o effettuati direttamente nell’ambito del nostro progetto, sarà fondamentale per verificare la correttezza dei modelli microscopici studiati.
Un’ampia varietà di sistemi metallici, magnetici e superconduttori esibisce proprietà che derivano direttamente dall’esistenza di forti interazioni locali. Progressi in quest’area di ricerca sono importanti per due ordini di ragioni. Da un lato essi consentono di rispondere a questioni fondamentali nelle scienze di base. D’altra parte tali progressi possono portare a svolte decisive nello sviluppo di tecnologie quantistiche, sia in quelle esistenti (materiali magnetici, materiali superconduttori) sia in quelle emergenti, come, ad esempio la computazione quantistica e i nano-dispositivi. Comprendere le proprietà dei sistemi fortemente correlati rappresenta così una delle sfide più importanti della fisica della materia condensata e della fisica statistica. La presente proposta accoglie questa sfida organizzando in questo consorzio fisici sperimentali e teorici con competenze complementari, in maniera tale da permettere così di sviluppare sinergie e collaborazioni tra gruppi di ricerca che già affrontano questi problemi da diverse prospettive. L’obiettivo finale che la presente proposta intende raggiungere consiste in un significativo avanzamento delle nostre conoscenze sul diagramma di fase di equilibrio, sulla dinamica di non-equilibrio, e sulle proprietà di trasporto di una varietà di sistemi in cui le forti interazioni locali giochino un ruolo dominante. Oggi è possibile studiare sistemi fortemente correlati con diversi tipi di tecniche. Per quanto riguarda l’aspetto sperimentale, oltre all’indagine diretta dei sistemi di materia condensata basati sulle interazioni elettroniche, è possibile simulare le loro proprietà tramite esperimenti in ambienti artificialmente realizzati e controllati, i cosiddetti emulatori quantistici. A partire dall’ultimo decennio, si può certamente affermare che i gas atomici ultrafreddi su reticoli ottici sono i sistemi ideali per realizzare questo scopo. Sul piano teorico, negli ultimi anni sono state sviluppate e rafforzate alcune potenti tecniche numeriche che si basano su metodologie che, originariamente concepite nell’ambito della teoria dell’informazione quantistica, sono state successivamente applicate allo studio dei sistemi a molti corpi.
Il presente consorzio, grazie alla scelta delle varie unità di ricerca, incarna e integra tutti questi diversi approcci. Il lavoro sperimentale sarà principalmente focalizzato sui gas atomici ultrafreddi in reticoli ottici. Oltre alla stretta collaborazione con i fisici sperimentali del consorzio, il ruolo della componente teorica sarà quello di studiare una varietà di sistemi fortemente correlati e di sviluppare e integrare nel progetto una serie di metodologie dell’informazione quantistica applicate allo studio della materia condensata e dei sistemi atomici. Particolare attenzione sarà dedicata allo studio delle proprietà che possono portare ad una comprensione fisica dei meccanismi in grado di preservare la coerenza e l’entanglement in sistemi quantistici compositi, ovvero i due ingredienti fondamentali di qualsiasi tecnologia quantistica emergente.
Al fine di raggiungere la meta fondamentale del progetto, lo schema del piano di ricerca è di realizzare i seguenti tre obiettivi principali.
Obiettivo 1) Indagine dettagliata, sviluppata attraverso uno sforzo congiunto sperimentale e teorico, di sistemi di atomi ultrafreddi su reticoli ottici, con particolare attenzione alla loro dinamica di non-equilibrio, alla loro capacità di simulare (quantisticamente) sistemi isolanti, magnetici, e superfluidi.
Obiettivo 2) Studio approfondito dei sistemi fortemente correlati dal punto di vista della teoria dell’informazione quantistica. Questo obiettivo generale comprende una caratterizzazione di sistemi fortemente interagenti mediante quantificatori (entanglement, entropie,…) della struttura dello stato fondamentale e delle sue correlazioni, e un’analisi dell’efficienza degli schemi di simulazione numerica sviluppati utilizzando metodologie dell’informazione quantistica. In quest’ambito le competenze complementari in fisica dei sistemi fortemente correlati e in teoria dell’informazione quantistica verranno sfruttate e integrate per fornire un valore aggiunto all’intero progetto.
Obiettivo 3) Analisi numeriche estese di modelli su reticolo e di sistemi quantistici complessi realistici per la determinazione accurata del loro diagramma di fase sia nello stato fondamentale sia all’equilibrio termodinamico, utilizzando tecniche di simulazione applicate direttamente ai sistemi “naturali” basati sulle interazioni tra elettroni, per confrontare e integrare i risultati ottenuti con i metodi degli emulatori quantistici e dell’informazione quantistica negli Obiettivi 1 e 2.
I tre obiettivi di cui sopra costituiscono un ponte ideale tra sistemi fortemente correlati artificiali e materiali reali. Al fine di migliorare la nostra comprensione dei materiali reali studieremo teoricamente e realizzeremo sperimentalmente i “simulatori quantistici” (Obiettivo 1); utilizzeremo una serie di metodi della teoria dell’informazione quantistica (Obiettivo 2); e svilupperemo estese analisi numeriche (Obiettivo 3) con lo scopo ultimo sia di descrivere più in profondità i sistemi reali di materia condensata sia di identificare i meccanismi microscopici alla base delle tecnologie quantistiche emergenti e future.
In particolare:
1) Ci proponiamo di realizzare sperimentalmente hamiltoniane di tipo Hubbard con atomi ultrafreddi (Bose, Fermi o miscele) e studiare il loro diagramma di fase quantistico, al fine di simulare i modelli di spin associati e rivelarne le fasi magnetiche. A tal fine si svilupperanno schemi di rilevazione per misurare le funzioni di correlazione statiche e dinamiche. Saranno sviluppate tecniche interferometriche atomiche che permetteranno di accedere direttamente alle proprietà quantistiche macroscopiche del sistema. Nel caso di miscele di diversi tipi di atomi lo studio della dinamica delle impurezze rivestirà un ruolo particolarmente importante. Sul piano teorico ci proponiamo di studiare le proprietà di equilibrio e di non-equilibrio di sistemi atomici su reticoli ottici, utilizzando classi innovative di hamiltoniane a molti corpi, di funzionali di densità di energia, di approcci variazionali di tipo Gutzwiller, e di equazioni di trasporto.
2) Integreremo i nostri sforzi per utilizzare nuovi metodi dell’informazione quantistica nello studio dei sistemi a molti corpi. Verrà studiato il rapporto tra entanglement (sia bipartito sia multipartito) , frustrazione, e ordine topologico. In termini più generali il nostro obiettivo è quello di determinare quantificatori universali della complessità dei fenomeni fisici, inclusi i fenomeni quantistici collettivi. I metodi molto potenti della teoria della stima quantistica saranno modificati e adattati per estrarre informazioni dalle funzioni d’onda a molti corpi. Metteremo a frutto le competenze complementari sui metodi variazionali e sui metodi tensor network per sviluppare nuovi approcci variazionali appositamente progettati per lo studio dei sistemi a molti corpi sia all’equilibrio sia in situazioni di non equilibrio.
3) La conoscenza fondamentale degli stati quantisticamente correlati della materia, ottenuta attraverso lo studio di hamiltoniane modello secondo gli schemi descritti nei due obiettivi precedenti è di grande rilievo per la descrizione di sistemi realistici, electron-based. In quest’ambito si presterà particolare attenzione al comportamento di tipo liquido di spin, all’effetto Kondo in nano-dispositivi, ai sistemi di elettroni in due dimensioni, e alla superconduttività non convenzionale. La maggior parte del lavoro sarà basato su metodi numerici, tra cui la diagonalizzazione esatta Lanczos-augmented, e metodi di Monte Carlo quantistico, ma il confronto con gli esperimenti, disponibili o effettuati direttamente nell’ambito del nostro progetto, sarà fondamentale per verificare la correttezza dei modelli microscopici studiati.
Esperimenti/Studi INO correlati:
Quantum mixtures