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Topological Matter and Crystal Symmetry: From Microscopic Structure to Phenomenology

Description du projet

Une vaste théorie des états topologiques de la matière

Les états topologiques de la matière sont caractérisés par des structures subtiles dans l’intrication quantique entre différents degrés de liberté. De nouveaux outils sont nécessaires pour analyser leurs propriétés. Le projet TMCS, financé par l’UE, vise à développer des outils pour identifier, simuler et détecter expérimentalement ces structures/phases. Le projet établira une théorie générale des états topologiques fortement corrélés de la matière en deux et trois dimensions. Il utilisera la symétrie cristalline non symorphique comme principe d’organisation pour identifier les systèmes qui sont des candidats appropriés pour accueillir des états fractionnés de la matière et étudier son influence sur les ordres concurrents. Le but ultime est de créer une compréhension altérée des phases topologiques à deux et trois dimensions et de développer de nouvelles classes d’outils analytiques et numériques.

Objectif

This ERC project will build a wide-ranging theory of strongly-correlated topological states of matter in three dimensions, via analytical, numerical, and phenomenological approaches. It will use non-symmorphic crystal symmetry as an organizing principle to identify systems that are good candidates to host fractionalized states of matter. Via slave-particle mean-field theories used in concert with symmetry analysis, it will provide a systematic classification of different possible spin-charge-separated, topologically ordered, and broken-symmetry states in correlated Mott insulators and heavy-fermion materials. This mean-field study of model Hamiltonians will be wedded to a sophisticated new variational tensor-network scheme for simulating physically-realistic systems. Separately, an analytical classification of gapless ‘U(1)’ quantum spin liquids with emergent photon excitations will be implemented. Variational trial wavefunctions will also be developed to access a new class of interacting 'topological quantum paramagnets’ with gapless edge states.

The symmetry analysis will be coupled to two phenomenological studies. One will examine unconventional surface state properties of topological semimetals, and extend these to the interacting regime. Another will develop a spectroscopic theory for topological matter with symmetry, leveraging results from the parton approach where possible. Experimental input from studies of nematic quantum Hall states and photoemission studies of Weyl semimetals will provide feedback to this effort.

A final thrust of activity will focus on newly-proposed fracton states of matter not captured by usual theories of topological order, and will employ both analytical parton techniques and numerical quantum Monte Carlo simulations.

At its close, this project will deliver a dramatically altered understanding of three dimensional topological phases and provide a new class of analytical and numerical tools as a platform for future studies.

Champ scientifique (EuroSciVoc)

Mots‑clés

Programme(s)

Thème(s)

Régime de financement

ERC-STG - Starting Grant

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Appel à propositions

(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) ERC-2018-STG

Voir tous les projets financés au titre de cet appel

Institution d’accueil

THE CHANCELLOR, MASTERS AND SCHOLARS OF THE UNIVERSITY OF OXFORD
Contribution nette de l'UE
€ 1 499 622,00
Adresse
WELLINGTON SQUARE UNIVERSITY OFFICES
OX1 2JD Oxford
Royaume-Uni
Région
South East (England) Berkshire, Buckinghamshire and Oxfordshire Oxfordshire
Type d’activité
Higher or Secondary Education Establishments
Liens
Coût total
€ 1 499 622,00

Bénéficiaires (1)