Reorganisation von Randmoden: Quanten-Phasenübergänge und Texturen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Rosenow
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406252756

Hinausgehend über frühere Anstrengungen zur Beschreibung von Quanten-Phasenübergängen am Rand von Quanten-Hall Systemen eröffnet unser vorgeschlagenes Projekt neue Perspektiven. Das Projekt enthält zwei Stoßrichtungen: 1. Einerseits die Betrachtung neuer Klassen von natürlich vorkommenden (oder induzierten) Quanten-Phasenübergängen am Rand (z.B. Spin-Wechsel Übergänge, spontane Brechung der Zeitumkehr-Invarianz). Warum besteht Interesse an diesen Fragestellungen? Hinausgehend über die grundlegende physikalische Bedeutung der Entdeckung und Analyse neuer Klassen von Phasenübergängen in topologischen Systemen, haben solche Phasenübergänge Konsequenzen für Ladungs- und Spintransport in solchen Systemen. Zusätzlich impliziert das mögliche Auftreten einer spontanen Brechung der Zeitumkehr-Symmetrie in sonst Zeitumkehr-invarianten Systemen, dass dem Phänomen des topologischen Schutzes (z.B. in Zeitumkehr-Invarianten topologischen Isolatoren), der für topologisches Quanten-Computing benötigt wird, erneute Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte. 2. Andererseits die Physik künstlich gestalteter Ränder. Vor Kurzem durchgeführte Experimente der Heiblum-Gruppe (die erste Gruppe von Ergebnissen ist seit Kurzem als Preprint verfügbar, siehe Y. Ronen et al.,  arXiv:1709.03976 (2017)), läuten eine neue Ära ein: man kann zusammengesetzte Ränder (bestehend aus mehreren chiralen Moden) sowohl im ganzzahligen als auch im fraktionellen Regime nach Belieben gestalten, die Wechselwirkung und die Tunnelkopplung zwischen den Moden kontrollieren, sowie auch den Spin-Freiheitsgrad der einzelnen Moden. Der Weg zu Bereitstellung einer großen Anzahl topologischer Isolatoren je nach Bedarf ist damit offen. Die zur Bearbeitung der Fragestellungen benötigten Werkzeuge schließen feldtheoretische Methoden, die Analyse von Mustern der Symmetriebrechung und die Theorie der Quantensysteme im Nicht-Gleichgewicht ein. Die beiden PIs sind mit diesen Werkzeugen bestens vertraut aufgrund ihrer bestehenden Erfahrung auf den Gebieten der Quanten-Hall und topologischen Isolatoren, zu denen die PIs relevante Beiträge geleistet haben: die Entwicklung und Anwendung der Nicht-Gleichgewichts-Bosonisierung, die Vorhersage einer spontanen Brechung der Zeitumkehr-Symmetrie in topologischen Isolatoren, die erste Vorhersage fraktioneller Statistik in Mach-Zender Interferometern, die erste Analyse fraktioneller Aharonov-Bohm Oszillationen aufgrund anyonischer Physik, einschließlich der Analyse von Wechselwirkungseffekten in Fabry-Perot Interferometern. Die beiden PIs haben eine seit langem bestehende Zusammenarbeit, aus der mehrere gemeinsame Publikationen hervorgegangen sind. Diese Zusammenarbeit hat zu zahlreichen gegenseitigen Besuchen sowie zum Austausch von Nachwuchswissenschaftlern der beiden Teams geführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Yuval Gefen