Descripción del proyecto
Estudio de las propiedades no ergódicas de la materia cuántica
Los sistemas ergódicos son la base de la mecánica estadística debido a su capacidad para alcanzar el equilibrio térmico, lo que permite amplias descripciones universales. Sin embargo, los sistemas cuánticos no ergódicos de muchos cuerpos no logran alcanzar el equilibrio térmico y podrían, por lo tanto, conservar su naturaleza cuántica durante largos períodos de tiempo. El objetivo del proyecto financiado con fondos europeos NEQuM es mejorar el conocimiento de la dinámica y las propriedades de estos sistemas cuánticos aislados mediante el estudio de diferentes rutas mecanismos para romper la ergodicidad, incluidos el desorden, la frustración y las simetrías ocultas. Los resultados del proyecto, obtenidos gracias a nuevas técnicas analíticas y numéricas, sentarán las bases para establecer una teoría general de los sistemas cuánticos no ergódicos. La capacidad de los sistemas no ergódicos para seguir siendo cuánticos a escalas de tiempo más largas tiene muchas aplicaciones prácticas no solo para la ciencia, sino también para las tecnologías emergentes. Un ejemplo son los sistemas cuánticos desordenados, que podrían tener una gran utilidad para el desarrollo de nuevas tecnologías de almacenamiento y procesamiento de información.
Objetivo
In this project we propose to build the theory of non-ergodic quantum matter – isolated quantum systems that avoid thermal equilibrium. To this end, we will study the established non-ergodic phases, search for new phases, and seek to understand their common properties and dynamics. Recently non-ergodic systems that avoid the fate of thermal equilibrium were realized experimentally in quantum simulators. Specific examples include many-body localized phases, glassy and kinetically constrained models, and systems with weak ergodicity breaking. Freedom from the laws of equilibrium statistical mechanics opens up a host of possible unexpected behaviors prohibited in equilibrium. The ability of non-ergodic systems to stay quantum on longer timescales has potential for practical applications. This calls for the development of a general theory of non-ergodic quantum systems. In order to develop such theory, in this project we will seek to address the questions: What are the possible ways to avoid attaining thermal equilibrium? What are the universal properties of such non-ergodic systems? What is the nature of their long time dynamics and their steady state? How can we put their properties to use? The PI will leverage his expertise in studies of many-body localization to lead a coherent research program aimed at (i) describing universal properties of highly-excited eigenstates and their entanglement; (ii) developing new methods to simulate non-ergodic dynamics and reveal its experimental signatures; and (iii) using such quantum phases for many-body state preparation and optimal control. The theory delivered by this project will ultimately provide useful insights into quantum thermalization, thus establishing the first steps towards a general theory of non-equilibrium quantum systems. On the practical side, such theory will guide the experimental search for non-ergodic phases, and open the door to their application in more efficient quantum information storage and processing.
Ámbito científico
Programa(s)
Régimen de financiación
ERC-STG - Starting GrantInstitución de acogida
3400 Klosterneuburg
Austria