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An ultracold gas plus one ion: advancing Quantum Simulations of in- and out-of-equilibrium many-body physics

Projektbeschreibung

Bahnbrechende Quantensimulationen mit einem entarteten Fermionengas und einem einzelnen gefangenen Ion

Ein Vielteilchensystem ist viel mehr als eine Ansammlung von Einzelteilchen. Die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen können zu kollektivem Verhalten führen, dessen Modellierung und Verständnis äußerst komplex sein kann. Das Verständnis dieser Probleme ist nicht nur auf grundlegender Ebene wichtig, sondern kann auch zur Entwicklung neuer Werkstoffe und Technologien führen. Quantensimulatoren mit ultrakalten Gasen werden häufig zur Untersuchung von Vielteilchenwechselwirkungen eingesetzt. Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts PlusOne wird die Dynamik eines entarteten Fermionengases, des Vielteilchensystems, mit einer einzigen lokalisierten Verunreinigung – einem einzelnen gefangenen Ion – erforscht. Die bahnbrechenden Untersuchungen zu einigen der wichtigsten Probleme der Physik der kondensierten Materie werden dieses zentrale Forschungsgebiet entscheidend voranbringen.

Ziel

The concept of a localized single impurity in a many-body system is at the base of some of the most celebrated problems in condensed matter. The aim of the PlusOne project is to realize the physical paradigm of a single localized impurity in a many-body system to advance quantum simulation of in- and out-of equilibrium many-body physics. Our quantum simulator will consist of a degenerate gas of fermions as a many-body system, with a single trapped ion playing the role of the impurity. The novel design of our atom-ion hybrid system surpasses all the limitations that prevent current systems from reaching full control of atom-ion interactions because it is energetically closed. Using this system, we will characterize atom-ion collisions in the so-far unexplored ultracold regime.
We will use the single trapped ion to induce non-equilibrium dynamics in the many-body system by quenching the atom-ion interactions. This process will cause an entanglement between the many-body dynamics and the ion’s internal state, enabling us to detect the many-body evolution by performing quantum tomography on the ion.
By these means, we will observe the emergence of the Anderson Orthogonality Catastrophe for the first time in the time domain, and investigate the universality of this phenomenon.
Additionally, we will explore the thermodynamics of a system out of equilibrium by measuring the work distribution of a non-equilibrium transformation, and testing the seminal Tasaki-Crooks fluctuation relation for the first time in a many-body system in the quantum regime.
Finally, we will use the single trapped ion as a single atom probe and as a density- and time- correlation detector in a system of atoms loaded in an optical lattice. This achievement will significantly improve current methods for probing many-body physics with ultracold atoms.
Our groundbreaking system will hence inaugurate concrete and decisive advances in the quantum simulation of many-body physics with quantum gases.

Finanzierungsplan

ERC-STG - Starting Grant

Gastgebende Einrichtung

ISTITUTO NAZIONALE DI RICERCA METROLOGICA
Netto-EU-Beitrag
€ 1 496 250,00
Adresse
STRADA DELLE CACCE 91
10135 Torino
Italien

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Region
Nord-Ovest Piemonte Torino
Aktivitätstyp
Research Organisations
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Gesamtkosten
€ 1 496 250,00

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