OrbiDynaMIQs - Two-orbital quantum many-body systems: kondo dynamics and mediated interactions

L'interazione tra spin localizzati e fermioni mobili è alla base delle proprietà di trasporto di una grande varietà di materiali altamente correlati. Anche una singola impurità di spin localizzata può influenzare drasticamente il moto di molti fermioni nei suoi dintorni, dando origine a uno dei fenomeni più notevoli della fisica quantistica a molti corpi: l'effetto Kondo. Per una densità finita di spin localizzati, l'effetto Kondo compete con le interazioni non locali mediate dai fermioni Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY), fornendo la forza motrice per molti fenomeni intriganti come la superconduttività non convenzionale e il comportamento quantistico critico dei composti di fermioni pesanti. Nonostante decenni di indagini, rimangono questioni fondamentali riguardanti le proprietà dinamiche e spaziali dell'effetto Kondo, difficili da affrontare in sistemi di elettroni. Inoltre, manca ancora una comprensione dettagliata della transizione tra il problema di Kondo a singola impurità e un sistema di impurità interagenti. In OrbiDynaMIQs, svilupperò una nuova piattaforma sperimentale per affrontare queste questioni aperte. Sfruttando i recenti progressi nella manipolazione di singoli atomi con le pinzette ottiche, realizzerò un versatile simulatore quantistico a due orbitali basato su atomi fermionici ultrafreddi di itterbio. Mi concentrerò sulle dinamiche spin-orbitali di impurezze singole e multiple localizzate incorporate in sistemi fermionici itineranti mono e bidimensionali. Studierò quindi l'emergere di interazioni RKKY tra gli spin localizzati, sia in realizzazioni a pochi corpi che a reticolo completo, muovendo i primi passi nell'esplorazione di un'intera nuova gamma di fenomeni di correlazione di spin nei sistemi di Kondo. L'approccio proposto sfrutta la forte interconnessione tra la fisica quantistica a molti corpi e le misure di precisione con atomi a due elettroni, e la mia esperienza alla confluenza di questi campi. Inoltre, faciliterà gli studi di nuovi modelli a due orbitali con simmetrie SU(N) allargate oltre a quelle dei sistemi di elettroni di spin-1/2.

The interaction between localized spins and mobile fermions underlies the transport properties of a large variety of highly correlated materials. Even a single localized spin impurity can dramatically influence the motion of many fermions in its surroundings, giving rise to one of the most remarkable phenomena in quantum many-body physics - the Kondo effect. For a finite density of localized spins, the Kondo effect competes with non-local fermion-mediated Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interactions, providing the driving force for many intriguing phenomena such as the unconventional superconductivity and the quantum critical behavior of heavy-fermion compounds. Despite decades of investigations, fundamental issues remain concerning the dynamical and spatial properties of the Kondo effect, that are difficult to tackle in electron systems. Further, a detailed understanding of the transition between the single-impurity Kondo problem and a system of interacting impurities is still missing. In OrbiDynaMIQs, I will develop a novel experimental platform for addressing such open questions. Leveraging on recent progress in manipulating single atoms with optical tweezers, I will realize a versatile two-orbital quantum simulator based on ultracold fermionic ytterbium atoms. I will focus on the spin-orbital dynamics of single and multiple localized impurities embedded in one- and two-dimensional itinerant fermion systems. I will then investigate the emergence of RKKY interactions between localized spins, both in few-body and full lattice realizations, taking first steps in exploring a whole new range of spin-correlation phenomena in Kondo systems. The proposed approach capitalizes on the strong interlink between quantum many-body physics and precision measurements with two-electron atoms, and on my experience at the confluence of these fields. It will also facilitate studies of new two-orbital models with enlarged SU(N) symmetries beyond that of spin-1/2 electron systems.