Projektbeschreibung
Die Quasiteilchendynamik unter dem Mikroskop
Die Idee der Quasiteilchen ist ein wirksames Instrument, um Vorgänge in Vielteilchen-Quantensystemen zu beschreiben. Quasiteilchen, die aufgrund einer Fragmentierung entstehen, sind sehr vielversprechend für die Entwicklung fehlertoleranter Quantencomputer. Signaturen dieser exotischen Materiephasen sind immer noch selten und beschränken sich vor allem auf fraktionale Quanten-Hall-Zustände, obwohl sie Prognosen zufolge auch in frustrierten Magneten auftreten sollen. Das EU-finanzierte Projekt FLATBANDS wird ein neuartiges Strontiumgasmikroskop entwickeln, um sowohl fraktionale Quanten-Hall-Zustände als auch hochgradig frustrierte Magneten zu untersuchen. Dabei kommen ultrakalte Atome zum Einsatz, die ein wirkungsvolles Mittel zur Untersuchung von Vielteilchen-Quantensystemen darstellen. Da FLATBANDS zwei sich gegenseitig ergänzende Wege einschlägt, um die stark korrelierten Vielteilchensysteme und topologischen Anordnungen zu untersuchen, werden die Forschungsergebnisse des Projekts erheblich zur Entwicklung von Quantencomputern und zur Physik der kondensierten Materie beitragen.
Ziel
"One spectacular phenomenon in quantum many-body systems is the emergence of non-local quasiparticles with fractional quantum numbers and anyonic statistics. Of fundamental interest, fractionalization also holds promise for fault-tolerant quantum computation motivating the search for such exotic phases of matter. Signatures of this phenomenon remain sparse and mostly restricted to fractional quantum Hall states, despite being predicted to also occur in other systems such as frustrated quantum magnets. An essential feature shared by both systems is the massive ground state degeneracy, or flat band, out of which fractionalization emerges. The underlying non-local topological order of such phases is an outstanding experimental challenge to detect with only local observables. Building on my experience to study ""hidden"" order in one dimensional systems, I will address the physics of strong correlations in two and three dimensional flatbands using ultracold atoms and the unique probes of atomic physics. I propose in FLATBANDS to build a novel strontium quantum gas microscope to study both fractional quantum Hall states and highly frustrated magnets. I will first rotate mesoscopic dilute Bose gases to mimic the behaviour of electrons in magnetic fields. Using observables down to individual particles, I will study density-density correlations in the lowest Landau level, providing signatures of emerging Laughlin-like states. On the same platform, I will measure spin correlations and detect fractionalization in highly frustrated magnets. Using atoms trapped in programmable tweezer arrays and excited in Rydberg states, I will engineer quantum spin-ice and directly observe the emergence of magnetic monopoles. By following two complementary routes to address strong correlations and topological order, FLATBANDS will open fascinating perspectives with impact in quantum information, quantum computation, and condensed matter physics."
Wissenschaftliches Gebiet
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-STG - Starting GrantGastgebende Einrichtung
20148 Hamburg
Deutschland