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Fermionic Fractional Quantum Hall Systems under the Microscope

Description du projet

Une ère nouvelle pour la simulation quantique

L’effet Hall quantique fractionnaire (FQH) est un phénomène quantique unique où les électrons, lorsqu’ils sont exposés à des conditions extrêmes telles que de très basses températures et de puissants champs magnétiques, forment de nouveaux types de matière aux propriétés particulières qui pourraient se révéler utiles pour les technologies quantiques. L’étude des états FQH dans les matériaux traditionnels tels que les semi-conducteurs, où les électrons se déplacent à travers une structure fixe, est cependant complexe. Avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet FQHMicroscope se propose d’étudier les états fermioniques FQH à l’aide d’un microscope à gaz quantique de pointe, un outil qui permet aux chercheurs de voir et de manipuler des atomes individuels. Les chercheurs entendent repousser les limites de la simulation quantique et développer un nouveau moyen d’étudier la physique topologique avec une précision sans précédent.

Objectif

Fractional quantum Hall (FQH) states are paradigmatic examples of strongly correlated topological quantum matter, combining geometric order and strong interparticle interactions. Yet, limited microscopic control in solid-state platforms often restricts observations to global current or spectroscopy probes. Engineered quantum systems, such as ultracold atoms in optical lattices, offer a complementary route for exploring topological order leveraging precise control over Hamiltonian parameters and access to local observables through quantum gas microscopy.

The primary goal of this project is to prepare and probe quantum-engineered fermionic FQH states for the first time in a next-generation quantum gas microscope. First, we will implement direct laser cooling of fermionic Li-6 atoms to efficiently prepare individual atoms in the ground state of optical tweezers, and holographically project lattice potentials to assemble Fermi-Hubbard systems atom by atom. To explore FQH physics, we will implement small fermionic Harper-Hofstadter systems via Floquet engineering. Leveraging our system’s excellent coherence, we will extend observations beyond two particles and perform first observations fractionally charged quasi-hole excitations pinned by local repulsive potentials. To access a broader class of fermionic FQH states, we will build upon recent advances in multi-orbital lattices and engineer p-wave interactions between pairs of spinless fermions. This approach will facilitate first microscopic studies of exotic Pfaffian states.

Our results will significantly impact research in quantum simulation and topological physics. Technically, we will advance programmable optical lattices, enabling sub-second cycle times and unprecedented levels of control in quantum gas microscopes. Implementing p-wave interactions will facilitate the exploration of Pfaffian states and non-Abelian excitations, which are building blocks for fault-tolerant topological quantum computing.

Champ scientifique (EuroSciVoc)

Mots‑clés

Programme(s)

Thème(s)

Régime de financement

HORIZON-TMA-MSCA-PF-EF - HORIZON TMA MSCA Postdoctoral Fellowships - European Fellowships

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Appel à propositions

(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) HORIZON-MSCA-2024-PF-01

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Coordinateur

INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY AUSTRIA
Contribution nette de l'UE
€ 214 344,72
Adresse
Am Campus 1
3400 Klosterneuburg
Autriche
Région
Ostösterreich Niederösterreich Wiener Umland/Nordteil
Type d’activité
Higher or Secondary Education Establishments
Liens
Coût total
Aucune donnée