Quantum simulation of the Hubbard model with ultracold fermions in optical lattices - Archive ouverte HAL Access content directly
Journal Articles Comptes Rendus. Physique Year : 2018

Quantum simulation of the Hubbard model with ultracold fermions in optical lattices

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Abstract

Ultracold atomic gases provide a fantastic platform to implement quantum simulators and investigate a variety of models initially introduced in condensed matter physics or other areas. One of the most promising applications of quantum simulation is the study of strongly-correlated Fermi gases, for which exact theoretical results are not always possible with state-of-the-art approaches. Here, we review recent progress of the quantum simulation of the emblematic Fermi-Hubbard model with ultracold atoms. After introducing the Fermi-Hubbard model in the context of condensed matter, its implementation in ultracold atom systems, and its phase diagram, we review landmark experimental achievements, from the early observation of the onset of quantum degeneracy and superfluidity to demonstration of the Mott insulator regime and the emergence of long-range anti-ferromagnetic order. We conclude by discussing future challenges, including the possible observation of high-Tc superconductivity, transport properties, and the interplay of strong correlations and disorder or topology.
Les gaz atomiques ultrafroids offrent un excellente flateforme pour réaliser des simulateurs quantiques etétudieretétudier une grande diversité de modèles introduits initialement en physique de lamatì ere condensée ou d'autres domaines. L'une des applications les plus prometteuses de la simulation quantique est l'´ etude des gaz de Fermi fortement corrélés, pour lesquels des résultats théoriques exacts ne sont pas toujours disponibles. Nous présentons ici une revue des progrès réalisés récemment sur la simulation quantique de l'emblématique modèle de Fermi-Hubbard avec des atomes ultrafroids. Après avoir présenté le modèle de Fermi-Hubbard dans le contexte de lamatì ere condensée, sa réalisation avec des atomes ultrafroids et son diagramme de phase, nous présentons les réalisations expérimentales les plus marquantes, de l'observation initiale de l'apparition de la dégénérescence quantique et de la superfluidité fermioniquesàfermioniques`fermioniquesà la mise enévidenceenévidence du régime de l'isolant de Mott et de l'´ emergence d'un ordre anti-ferromagnétiquè a longue portée. Nous concluons par une discussion des défis futurs, dont la possibilité d'observer la supraconductivité supraconductivité`supraconductivitéà haute température, les propriétés de transport et la compétition de fortes corrélations et du désordre ou de la topologie. Pour citer cet article : L. Tarruell and L. Sanchez-Palencia, C. R. Physique X (2018).
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Dates and versions

hal-01866079 , version 1 (03-09-2018)
hal-01866079 , version 2 (03-09-2018)
hal-01866079 , version 3 (30-12-2018)
hal-01866079 , version 4 (02-01-2019)

Identifiers

Cite

Leticia Tarruell, Laurent Sanchez-Palencia. Quantum simulation of the Hubbard model with ultracold fermions in optical lattices. Comptes Rendus. Physique, 2018, 19, pp.365-393. ⟨hal-01866079v4⟩
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