Quantendynamik in topologischen Phasen der Materie

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes Knolle
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505662248

Fortschritte in der Materialphysik und jüngste Fortschritte in experimentellen Techniken haben den Zugang zu neuen Quantenzuständen der Materie zusammen mit einer beispiellosen Kontrolle bei der Vorbereitung und Manipulation dieser Zustände ermöglicht. Einige der aufregendsten Beispiele dafür sind stark korrelierte topologische Zustände der Materie, wie Quanten-Spin-Flüssigkeiten und Quanten-Hall-Zustände. Diese Systeme werfen spannende theoretische Fragen auf und versprechen die Realisierung neuer Generationen von Quantengeräten, beispielsweise von Quantenspeichern oder Quantensensoren bis hin zu universellen Quantencomputern. Eines der zentralen Themen der modernen theoretischen Physik ist das vom Gleichgewichtszustand entfernte Verhalten wechselwirkender Vielteilchensysteme, das sowohl von grundlegendem Interesse als auch für die oben genannten Geräteanwendungen relevant ist.Nichtgleichgewichtsverhalten kann beispielsweise in Transportexperimenten untersucht werden, bei denen der Ladestrom als Funktion der angelegten Spannung oder der Energiestrom durch die Probe bei einem Temperaturgradienten gemessen wird. Viele interessante und überraschende Beobachtungen wurden in jüngster Zeit bei Experimenten mit Quanten-Hall-Kantenzuständen und in jüngerer Zeit mit Quanten-Spin-Flüssigkeits-Kandidatenmaterialien (vor allem RuCl3) [P1] gemacht. Im erstgenannten Rahmen ermöglichte dies beispielsweise die Untersuchung der Relaxation von Nichtgleichgewichtselektronenverteilungen aufgrund von Elektronenwechselwirkungen. In diesen Experimenten kann man die Elektronenrelaxation messen, indem man Ladungsströme misst. In topologischen Quantensystemen, in denen effektive Freiheitsgrade ladungslos sind, wie etwa neutrale Moden, die in bestimmten Quanten-Hall-Kantenzuständen erwartet werden, oder Majorana-Fermionen in Quantenspinflüssigkeiten, ist es jedoch schwierig, diese Moden direkt mit elektrischen Sonden zu messen. Die Entwicklung von Werkzeugen zur Detektion und Manipulation dieser Zustände ist sowohl aus fundamentaler theoretischer Sicht als auch für potenzielle Anwendungen in Quantenberechnungen wichtig. In diesem Projekt werden wir theoretisch Quantendynamik und Transportphänomene in Quanten-Spin-Flüssigkeiten und Quanten-Hall-Systemen untersuchen. Über etablierte Ergebnisse hinaus werden wir uns auf das Nichtgleichgewichtsverhalten konzentrieren. Diese Arbeit wird ein besseres Verständnis von Experimenten mit topologischen Aggregatzuständen ermöglichen. Unser Ziel ist es, die universelle Phänomenologie des Quantentransports zu erweitern und neue Methoden für die Nichtgleichgewichts- und Wärmetransportphysik in stark korrelierten topologischen Quantensystemen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Dmitry L. Kovrizhin