Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Thermometry by correlated dephasing of impurities in a 1D Fermi gas

Published 19 Jul 2023 in cond-mat.quant-gas, cond-mat.stat-mech, physics.atom-ph, and quant-ph | (2307.10132v4)

Abstract: We theoretically investigate the pure dephasing dynamics of two static impurity qubits embedded within a common environment of ultracold fermionic atoms, which are confined to one spatial dimension. Our goal is to understand how bath-mediated interactions between impurities affect their performance as nonequilibrium quantum thermometers. By solving the dynamics exactly using a functional determinant approach, we show that the impurities become correlated via retarded interactions of the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida type. Moreover, we demonstrate that these correlations can provide a metrological advantage, enhancing the sensitivity of the two-qubit thermometer beyond that of two independent impurities. This enhancement is most prominent in the limit of low temperature and weak collisional coupling between the impurities and the gas. We show that this precision advantage can be exploited using standard Ramsey interferometry, with no need to prepare correlated initial states nor to individually manipulate or measure the impurities. We also quantitatively assess the impact of ignoring these correlations when constructing a temperature estimate, finding that acceptable precision can still be achieved from a simplified model of independent impurities. Our results demonstrate the rich nonequilibrium physics of impurities dephasing in a common Fermi gas, and may help to provide better temperature estimates at ultralow temperatures.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (56)
  1. I. Bloch, J. Dalibard, and W. Zwerger, Rev. Mod. Phys. 80, 885 (2008).
  2. X.-W. Guan, M. T. Batchelor, and C. Lee, Rev. Mod. Phys. 85, 1633 (2013).
  3. I. Bloch, J. Dalibard, and S. Nascimbène, Nat. Phys. 8, 267 (2012).
  4. R. Onofrio, Phys.-Uspekhi 59, 1129 (2016).
  5. Q. Zhou and T.-L. Ho, Phys. Rev. Lett. 106, 225301 (2011).
  6. T. Sowinski and M. A. García-March, Rep. Prog. Phys. 82, 104401 (2019).
  7. A. Recati and S. Stringari, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 13, 407 (2022).
  8. N. Yegovtsev and V. Gurarie, arXiv:2305.14638 .
  9. P. Massignan, M. Zaccanti, and G. M. Bruun, Rep. Prog. Phys. 77, 034401 (2014).
  10. P. W. Anderson, Phys. Rev. Lett. 18, 1049 (1967).
  11. C. Regal, Experimental realization of BCS-BEC crossover physics with a Fermi gas of atoms, Ph.D. thesis, University of Colorado (2005).
  12. D. McKay and B. DeMarco, New J. Phys. 12, 055013 (2010).
  13. M. Mehboudi, A. Sanpera, and L. A. Correa, J. Phys. A Math. Theor. 52, 303001 (2019a).
  14. M. Bruderer and D. Jaksch, New J. Phys. 8, 87 (2006).
  15. L. Oghittu and A. Negretti, Phys. Rev. Res. 4, 023069 (2022).
  16. J. Rubio, J. Anders, and L. A. Correa, Phys. Rev. Lett. 127, 190402 (2021).
  17. J. Boeyens, S. Seah, and S. Nimmrichter, Phys. Rev. A 104, 052214 (2021).
  18. G. O. Alves and G. T. Landi, Phys. Rev. A 105, 012212 (2022).
  19. H. J. D. Miller and J. Anders, Nat. Commun. 9, 2203 (2018).
  20. G. Mihailescu, S. Campbell, and A. K. Mitchell, Phys. Rev. A 107, 042614 (2023).
  21. D. H. Santamore and E. Timmermans, Phys. Rev. A 78, 1 (2008).
  22. A. Klein and M. Fleischhauer, Phys. Rev. A 71, 1 (2005).
  23. M. Drescher, M. Salmhofer, and T. Enss, Phys. Rev. A 107, 063301 (2023).
  24. M. T. Mitchison, T. H. Johnson, and D. Jaksch, Phys. Rev. A 94, 1 (2016).
  25. B. Longstaff and J. B. Brask, Quantum 7, 907 (2023).
  26. G. Tóth, Phys. Rev. A 85, 022322 (2012).
  27. M. Brenes and D. Segal, Phys. Rev. A 108, 032220 (2023).
  28. D. A. Abanin and L. S. Levitov, Phys. Rev. Lett. 94, 186803 (2005).
  29. N. d’Ambrumenil and B. Muzykantskii, Phys. Rev. B 71, 045326 (2005).
  30. K. Schönhammer, Phys. Rev. B 75, 205329 (2007).
  31. M. A. Ruderman and C. Kittel, Phys. Rev. 96, 99 (1954).
  32. T. Kasuya, Prog. Theor. Phys. 16, 45 (1956).
  33. J. N. Fuchs, A. Recati, and W. Zwerger, Phys. Rev. A 75, 043615 (2007).
  34. M. G. A. Paris, Int. J. Quantum Inf. 07, 125 (2009).
  35. M. Olshanii, Phys. Rev. Lett. 81, 938 (1998).
  36. J. Wang, arXiv:2211.01765 .
  37. A. Rivas, S. F. Huelga, and M. B. Plenio, Rep. Prog. Phys. 77, 094001 (2014).
  38. G. M. Palma, K.-A. Suominen, and A. K. Ekert, Proc. Math. Phys. Eng. Sci. 452, 567 (1996).
  39. J. H. Reina, L. Quiroga, and N. F. Johnson, Phys. Rev. A 65, 032326 (2002).
  40. J. Kattemölle and J. van Wezel, Quantum 4, 265 (2020).
  41. S. L. Braunstein and C. M. Caves, Phys. Rev. Lett. 72, 3439 (1994).
  42. G. Tóth and I. Apellaniz, J. Phys. A: Math. Theor. 47, 424006 (2014).
  43. H. Ollivier and W. H. Zurek, Phys. Rev. Lett. 88, 017901 (2001).
  44. L. Henderson and V. Vedral, J. Phys. A: Math. Gen. 34, 6899 (2001).
  45. G. Adesso, T. R. Bromley, and M. Cianciaruso, J. Phys. A Math. Theor. 49, 473001 (2016).
  46. M. H. Schleier-Smith, I. D. Leroux, and V. Vuletić, Phys. Rev. Lett. 104, 073604 (2010).
  47. J. Wang, X.-J. Liu, and H. Hu, Phys. Rev. Lett. 128, 175301 (2022a).
  48. J. Wang, X.-J. Liu, and H. Hu, Phys. Rev. A 105, 043320 (2022b).
  49. M. Saha, B. K. Agarwalla, and B. P. Venkatesh, Phys. Rev. A 103, 023330 (2021).
  50. J. Wang, H. Hu, and X.-J. Liu, arXiv:2207.14509 .
  51. J. Wang, Phys. Rev. A 107, 013305 (2023).
  52. M. Popovic, M. T. Mitchison, and J. Goold, Proc. R. Soc. A 479, 20230040 (2023).
  53. R. Kubo, J. Phys. Soc. Jpn. 17, 1100 (1962).
  54. A. Peres, Phys. Rev. Lett. 77, 1413 (1996).
  55. P. Horodecki, Phys. Let. A 232, 333 (1997).
  56. D. Girolami and G. Adesso, Phys. Rev. A 83, 052108 (2011).
Citations (3)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up