Projet ANR-13-JS04-0005 – ArtiQ : Systèmes de spin quantiques artificiels en physique atomique
Programme : JCJC - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (JCJC SIMI 4) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Tommaso Roscilde (Laboratoire de Physique / Ecole Normale Supérieure de Lyon)
Partenaires : Laboratoire de Physique de l'Ens de Lyon
Montant : 152973.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Ce projet théorique est consacré à la simulation quantique de modèles fondamentaux du magnétisme quantique avec des interactions compétitives (modèles de spins quantiques frustrés) dans le cadre d'expériences actuelles en physique atomique. Les systèmes de spins quantiques frustrés sont parmi les systèmes quantiques à N corps les plus complexes, et leur comportement montre des états d'équilibre dominés par les fluctuations quantiques, dont la description a défié la théorie de la matière condensée pendant plus d'un demi-siècle. Des expériences en cours et à venir à l'aide des ions piégés et des atomes neutres ont la capacité de réaliser des modèles artificiels frustrés de spins quantiques avec un contrôle sans précédent, et avec plusieurs différences fondamentales par rapport aux solides magnétiques: 1) l'Hamiltonien est en principe connue a priori, et ses paramètres sont réglables de manière contrôlée afin d'explorer des diagrammes de phases entières dans l'espace des Hamiltoniens; 2) les modèles réalisés en physique atomique comportent des interactions spin-spin très anisotropes, impliquant une seule composante de spin (modèles d'Ising quantiques) ou deux composantes de spin (modèles XY), qui ne sont pas réalisés dans les matériaux magnétiques ; 3) remarquablement, les modèles d'Ising quantiques et (dans certains régime particulier) les modèles XY quantiques se prêtent à un traitement théorique quantitatif en utilisant l'état de l'art des approches numériques, et ils permettent une validation théorique directe de leur simulation quantique expérimentale; 4) les états d'équilibre les plus intéressants réalisés par des spins quantiques frustrés - les «liquides de spins quantiques» - n'admettent pas une caractérisation en termes d'observables classiques en magnétisme à état solide - telles que les fonctions de corrélation à deux points et les fonctions de réponse - alors que leur réalisation possible en physique atomique permet des nouvelles sondes (telles que des fluctuations locales et des fonctions de corrélation d'ordre quelconque), qui peuvent dévoiler leurs formes particulières de corrélation, dont l'ordre topologique quantique.
 Ce projet a pour objectif ambitieux d'ouvrir la voie vers les premières réalisations expérimentales des états quantiques complexes de spin dans le contexte des ions piégés frustrés et des bosons frustrés dans les réseaux optiques. a) Dans le cas des ions piégés, nous proposons une étude approfondie de modèles d'Ising quantiques frustrés à deux dimensions, à réaliser par des ions dans les réseaux à micro-pièges. Dans ces modèles, un champ transverse mêle de manière cohérente l'ensemble des états fondamentaux exponentiellement dégénérés des spins classiques, pouvant donner lieu à des états ordonnés en raison d'effets quantiques, ou à états non-classiques, soit avec ordre cristallin et intrication à courte portée (cristaux de liens de valence), soit avec intrication à longue portée et absence de toute brisure de symétrie (liquides de spin). b) Dans le cas des bosons frustrés en présence de champs de jauge artificiels, nous allons étudier le régime de grand remplissage du réseau, réalisant la physique des rotateurs quantiques frustrés, dont les états aux basses températures disposent de phases ordonnées ou quasi-ordonnées complexes (états spiralés), qui sont transformés en phases paramagnétiques quantiques (correspondant à des isolants de Mott) par une répulsion croissante entre particules, en passant par des transitions de phase quantiques non conventionnelles. En outre, nous examinerons le régime de remplissage faible, réalisant la physique des spins quantiques XY à S = ½ ; ce régime contient potentiellement des phases de liquide de spin, en lien avec la physique des états Hall quantique fractionnaire de bosons. Dans les deux cas d'ions piégés et bosons sur réseaux, nous allons consacrer un effort particulier au calcul ab-initio de l'Hamiltonien de spin à partir de la configuration de l'expérience.