Charge correlations in quantum simulation of mixed-dimensional Hubbard systems

Bourgund, Dominik (2024): Charge correlations in quantum simulation of mixed-dimensional Hubbard systems. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The complex nature of strongly correlated materials, as the high-temperature superconducting cuprates, has proven to be a challenge in both theoretical and experimental studies for decades. With the advent of quantum simulation, new tools have emerged for the investigation of quantum systems on a microscopic level. Ultracold atoms confined in optical lattices offer an excellent platform for exploring strongly correlated phenomena in the minimal Fermi-Hubbard model. Starting from an antiferromagnetically ordered state, the intricate interplay between spin and charge degrees of freedoms in doped systems is supposed to be at the centre of collective effects such as paired states. Nevertheless, the ground state of the plain Fermi-Hubbard model is currently suspected to not be superconducting, instead favouring the formation of a charge density wave known as a stripe phase. In this thesis, we leverage the capabilities of a quantum simulator with ultracold fermions to investigate the formation of stripes in the Fermi-Hubbard model. Under normal conditions, the temperature scales associated with stripe phases fall well beyond the limits of current state-of-the-art quantum simulators. Therefore, we adopt a specific mixed-dimensional setting, where tunnel couplings are restricted to one direction, while spin exchange coupling persists along both, thereby elevating the onset temperature of stripes to approximately the superexchange energy. Using single-site spin and charge resolution, we observe extended, fluctuating charge structures in the system, indicative of the presence of stripes. Moreover, signatures in the spin sector are consistent with local antiferromagnetic domains that change sign across stripes. To access this mixed-dimensional regime, we designed, implemented and characterised a novel, highly-stable optical superlattice. By combining a bichromatic approach and enhanced environmental decoupling via evacuation and utilising appropriate materials, we achieve cutting-edge phase stability. Furthermore, we attain fast and wide tunability of the relative superlattice phase using two complementary methods. We characterise the setup using single and two-particle quantum walks, Rabi oscillations as well as spin correlations. These results establish the groundwork for further investigations into the nuances of the stripe phase and other exotic low-temperature phases of the Fermi-Hubbard model. Finally, beyond its implications for quantum simulation, this endeavour signifies a stride towards a future fermionic quantum computing platform.

Abstract

Stark korrelierte Systeme, insbesondere im Zusammenhang mit Hochtemperatursupraleitung, stellen eine Herausforderung sowohl für theoretische als auch experimentelle Studien dar. Mit der Entstehung des Felds der Quantensimulation sind neue Werkzeuge zur präzisen Untersuchung quantenmechanischer Systeme entstanden. Ultrakalte Atome in optischen Gittern bilden eine herausragende Plattform für Studien solch stark korrelierter Phänomene mittels des minimalen Fermi-Hubbard Modells. Ausgehend von einem antiferromagnetisch geordneten Zustand wird vermutet, dass das komplexe Zusammenspiel zwischen Spin- und Ladungsfreiheitsgraden in dotierten Systemen im Mittelpunkt kollektiver Effekte wie gepaarter Fermionen steht. Allerdings ist im Moment der Konsens, dass der Grundzustand des einfachen Fermi-Hubbard Modells nicht supraleitend ist, sondern stattdessen eine Ladungsdichtewelle bildet, die als Streifenphase bezeichnet wird. In dieser Arbeit nutzen wir einen hochauflösenden Quantensimulator mit ultrakalten Fermionen, um die Bildung von Streifen im Fermi-Hubbard-Modell zu untersuchen. Unter normalen Bedingungen liegen die Temperaturskalen für Streifenphasen weit unter dem derzeitigen Stand der Technik für Quantensimulatoren. Daher wählen wir eine spezifische Konfiguration, bei der Tunnelkopplungen nur entlang einer Richtung vorhanden sind, während der Spin-Austausch entlang beider Richtungen erfolgt, was die Temperatur, bei der Streifen beginnen aufzutreten, auf etwa die Spinwechselwirkungsenergie erhöht. Mittels der Spin- und Dichteauflösung bis zu einzelnen Gitterplätzen messen wir ausgedehnte, fluktuierende Ladungsstrukturen, die auf die Anwesenheit eines Streifens hindeuten. Darüber hinaus sind Signaturen im Spinsektor konsistent mit lokalen antiferromagnetischen Domänen, die über Streifen hinweg ihr Vorzeichen ändern. Um auf dieses Kopplungsregime zugreifen zu können, haben wir ein neues, hoch-stabiles optisches Übergitter entworfen, implementiert und charakterisiert. Durch die Kombination eines bichromatischen Ansatzes mit verbesserter Entkopplung von der Umgebung mittels Evakuierung und spezifischen Materialien erreichen wir eine herausragende Phasenstabilität. Zusätzlich wird eine schnelle und breite Abstimmbarkeit der relativen Übergitterphase via zweier komplementärer Methoden erzielt. Wir charakterisieren den Aufbau mittels Ein- und Zwei-Teilchen-Quantenspaziergängen, Rabi-Oszillationen sowie Spin-Korrelationen. Mit diesen Verbesserungen haben wir die Grundlagen für weitere Studien zu Details der Streifenphase sowie anderer exotischer Tieftemperaturphasen des Fermi-Hubbard-Modells gelegt. Neben der Relevanz für die Quantensimulation stellt dies außerdem einen Schritt hin zu einer zukünftigen fermionischen Quantencomputer-Architektur dar.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 23. April 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel