Nichtgleichgewichtsdynamik korrelierter Quantensysteme

• Antragsteller: Dr. André Erpenbeck
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453644843

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In stark korrelierten Quantensystemen führt das Zusammenspiel von mehreren Quantenteilchen zu außergewöhnlichen Phänomenen, wie zum Beispiel Supraleitung, Metall-Isolator-Übergänge und exotische Phasen in Quantensystemen. Die Untersuchung solcher Phänomene ist von großer Bedeutung für die Physik der kondensierten Materie. Das theoretische Verständnis solcher Effekte ist jedoch kompliziert, da hier eine genaue Beschreibung von vielen, stark miteinander verschränkten Quantenteilchen notwendig ist. Darüber hinaus basieren Korrelationseffekte auf einem komplexen Gleichgewicht innerhalb des Quantensystems, wie zum Beispiel der kinetische Energie der Quantenteilchen und ihre Wechselwirkungsstärke, sodass eine sehr genaue Beschreibung des Systems erforderlich wird. Dies gilt insbesondere für getriebene Quantensysteme, da hier angelegte Spannungen, Magnetfelder, oder Laserpulse ein solches komplexes Gleichgewicht fundamental verändern können. Das gegenwärtige Projekt befasst sich mit stark korrelierten nicht-gleichgewichts Quantensystemen sowie Quantenmaterialien. Um ein besseres Verständnis der physikalischen Zusammenhänge zu ermöglichen sollte eine genaue Beschreibung dieser Systeme auf der Grundlage von Quantum Monte Carlo Methoden entwickelt und auf Modellsysteme angewendet werden. Ein Hauptergebnis dieses Projekts ist die Entwicklung einer Inchworm Quantum Monte Carlo Methode, die die Systemeigenschaften im stationären Zustand direkt berechnen kann. Da stark korrelierte Systeme eine Dynamik aufweisen, die sich über sehr lange Zeitskalen erstreckt, ermöglicht diese Methode die Unterscheidung der kurzfristigen Reaktion eines Systems von seinen langfristigen physikalischen Eigenschaften. Diese Entwicklung ermöglichte die Untersuchung von nicht-gleichgewichts Korrelationseffekten in Quantendpunkten mit noch nie dagewesener Präzision. Außerdem verschaffte die Methode Einblicke in den stark korrelierten Bereich von Quantenmaterialien im Nicht-Gleichgewicht. Darüber hinaus etablierte diese Methodik das Korrelationseffekte genutzt werden können, um Ströme auf makroskopischen Skalen zu kontrollieren, und ermöglichte die genaue Beschreibung langlebiger Zustände in stark korrelierten Materialien, die optisch angeregt werden. Über diese Anwendungen hinaus wurde eine erhebliche Verbesserung der Quanten Monte Carlo Methodik durch tensorbasierte Ansätze erreicht. Tensor-Methoden können mehrdimensionale Probleme effizient strukturieren und komprimieren, wodurch der Rechenaufwand für die Simulation von Quantensystemen drastisch reduziert wird. Im Rahmen dieses Projekts wurde gezeigt, dass Tensor-Ansätze Monte Carlo Methoden um Größenordnungen effizienter und präziser machen. Somit haben die Ergebnisse dieses Projekts zu einer erheblich verbesserten Beschreibung stark korrelierte Systeme unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen beigetragen und wertvolle Einblicke in repräsentative Systeme ermöglicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Nonadiabatic vibronic effects in single-molecule junctions: A theoretical study using the hierarchical equationsof motion approach. Physical Review B, 105(19).
  Kaspar, C.; Erpenbeck, A.; Bätge, J.; Schinabeck, C. & Thoss, M.
  
• Nonequilibrium reaction rate theory: Formulation and implementation within the hierarchical equations of motion approach. The Journal of Chemical Physics, 157(3).
  Ke, Yaling; Kaspar, Christoph; Erpenbeck, André; Peskin, Uri & Thoss, Michael
  
• Steady state formulation of Inchworm Monte Carlo. APS March Meeting (2022)
  A. Erpenbeck; E. Gull & G. Cohen
  
• Steady state formulation of Inchworm Quantum Monte Carlo. Frontiers of Quantum and Mesoscopic Thermodynamics (2022)
  A. Erpenbeck; E. Gull & G. Cohen
  
• Steady state formulation of Inchworm Quantum Monte Carlo. Recent Developments in Computer Simulation Studies in Condensed Matter Physics (2022).
  A. Erpenbeck; E. Gull & G. Cohen
  
• How an electrical current can stabilize a molecular nanojunction. Nanoscale, 15(40), 16333-16343.
  Erpenbeck, André; Ke, Yaling; Peskin, Uri & Thoss, Michael
  
• Leaky-Integrate-and-Fire Neuron-Like Long-Short-Term-Memory Units as Model System in Computational Biology. 2023 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN), 1-9. IEEE.
  Gerum, Richard; Erpenbeck, André; Krauss, Patrick & Schilling, Achim
  
• Quantum Monte Carlo for multi-orbital systems at steady-state. APS March Meeting.
  A. Erpenbeck; T. Blommel; W.-T. Lin; L. Zhang; E. Gull & G. Cohen
  
• Quantum MonteCarlo Method in the Steady State. Physical Review Letters, 130(18).
  Erpenbeck, A.; Gull, E. & Cohen, G.
  
• Shaping Electronic Flows with Strongly Correlated Physics. Nano Letters, 23(22), 10480-10489.
  Erpenbeck, Andre; Gull, Emanuel & Cohen, Guy
  
• Tensor train continuous time solver for quantum impurity models. Physical Review B, 107(24).
  Erpenbeck, A.; Lin, W.-T.; Blommel, T.; Zhang, L.; Iskakov, S.; Bernheimer, L.; Núñez-Fernández, Y.; Cohen, G.; Parcollet, O.; Waintal, X. & Gull, E.
  
• Numerically Exact Simulation of Photodoped Mott Insulators. Physical Review Letters, 132(17).
  Künzel, Fabian; Erpenbeck, André; Werner, Daniel; Arrigoni, Enrico; Gull, Emanuel; Cohen, Guy & Eckstein, Martin
  
• Stark Many-Body Localization in Interacting Infinite Dimensional Systems. Physical Review Letters, 132(16).
  Atanasova, Hristiana; Erpenbeck, André; Gull, Emanuel; Lev, Yevgeny Bar & Cohen, Guy