Nichtgleichgewichts-Dynamik von topologischen Anregungen: von Quantenmaterie zu Quanteninformation

• Antragsteller: Dr. Aprem Joy
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574865650

In der modernen Festkörperphysik führt das Zusammenspiel von Quantenverschränkung und topologischen Phasen zu neuartigen emergenten Phänomenen. Besonders eindrucksvoll ist das Auftreten von Eichtheorien und Quasiteilchen mit fraktionalen Quantenzahlen und nichttrivialer Austauschstatistik – sogenannten Anyonen. Ihre eindeutige experimentelle Identifikation in Quantenmaterialien bleibt jedoch eine zentrale Herausforderung. Während meiner Promotion habe ich diesen Forschungsbereich durch die Untersuchung der Kitaev-Spinflüssigkeit vorangetrieben und eine umfassende Theorie ihrer dynamischen Eichfelder und anyonischen Anregungen in realistischen Modellen entwickelt. In meiner Postdoc-Phase möchte ich darauf aufbauen und neue Konzepte zur Detektion fraktionalisierter Phasen und Anyonen entwickeln sowie das Zusammenspiel von Quantendynamik und Quanteninformation theoretisch untersuchen. Im ersten Teil meines Projekts schlage ich eine neue Klasse nichtgleichgewichtiger Experimente vor, die auf verschiedene Quantenmaterialien zugeschnitten sind. Ziel ist es, topologische Ordnung über dimensionsbedingte Bewegungsbeschränkungen fundamentaler Anregungen nachzuweisen. In geschichteten 3D-Materialien mit 2D-topologischen Phasen sind die elementaren Anregungen auf Bewegung innerhalb der Schichten beschränkt; Bewegung zwischen den Schichten erfordert die koordinierte Wechselwirkung mehrerer Teilchen – ein grundlegender Unterschied zu gewöhnlichen Systemen. Zum Nachweis dieser Einschränkung schlage ich ein Pump-Probe-Experiment vor, bei dem ein Laserpuls eine hohe Quasiteilchendichte erzeugt und ein zweiter Puls deren Relaxation untersucht. Der zweite Teil widmet sich informations­theoretischen Aspekten der Äquilibrierung in topologischen Phasen. Die nicht-Abelsche Natur von Anyonen führt zu einer komplexen Kopplung zwischen der in ihren inneren Zuständen gespeicherten Quanteninformation und ihrer Bewegung im Raum. Ich werde dieses Wechselspiel mit Methoden der Quanteninformations­theorie analysieren und Erkenntnisse aus dem ersten Projektteil aufgreifen. Der Arbeitsplan umfasst: (i) die Modellierung der Äquilibrierung anyonischer Quasiteilchen mittels Simulationen und hydrodynamischer Theorien; (ii) die Analyse von Unordnung und Störstellen; (iii) den Vorschlag optischer Methoden zur Messung von Anyon-Dichten; sowie (iv) die Entwicklung von Quanten-Schaltkreis­modellen zur Untersuchung der Informationsdynamik während der Äquilibrierung. Insgesamt eröffnet dieses Projekt einen innovativen Zugang zur Untersuchung topologischer Quantenzustände und anyonischer Quasiteilchen in einer breiten Klasse von Materialien und liefert zugleich neue Einsichten in die Dynamik und Quanteninformation in topologischer Materie.

• DFG-Verfahren: Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Leon Balents, Ph.D.