Non-equilibrium dynamics of Dirac electrons  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
101244
Type K
Principal investigator Dóra, Balázs
Title in Hungarian Dirac elektronok nem-egyensúlyi dinamikája
Title in English Non-equilibrium dynamics of Dirac electrons
Keywords in Hungarian Dirac elektronok, grafén, topológikus szigetelők, spintronika, transzport
Keywords in English Dirac electrons, graphene, topological insulators, spintronics, transport
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Condensed matter properties
Panel Physics 1
Department or equivalent Department of Theoretical Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Bácsi, Ádám
Virosztek, Attila
Starting date 2012-04-01
Closing date 2016-09-30
Funding (in million HUF) 10.740
FTE (full time equivalent) 5.96
state closed project
Summary in Hungarian
Az információs technológia fejlődése egyre komolyabb kihívás elé állítja az információ feldolgozással és tárolással foglalkozó eljárásokat. Ezeknek megfelelni csak olyan új anyagokon alapuló nanoelektronikai eszközök tervezésével lehet, melyek teljesítménye meghaladja napjaink technológiáját. Ez új, egzotikus kvantum rendszerek és ezek nem-egyensúlyi tulajdonságainak megismerésén keresztül lehetséges. Grafén - a szén atomokból álló két dimenziós hatszögrács - egy különleges két dimenziós elektron gáz olyan egyedülálló elektronikus tulajdonságokkal, melyek új, ballisztikus transzporton alapuló eszközök építőelemévé tehetik. A grafén az alapkutatás szempontjából is rendkívül izgalmas, hiszen töltéshordozói tömeg nélküli, királis Dirac elektronok.
Az anyag egy új kvantum állapotát valósítják meg a topológikus szigetelők, melyek grafénhez hasonló tulajdonságokkal bírnak. Bár ezen rendszerek egyensúly közeli viselkedése jól ismert, számos alapvető kérdés megválaszolatlan maradt eddig: mi történik Dirac elektronokkal erősen nem-egyensúlyi feltételek között, milyen szokatlan töltés és spin transzport tulajdonságokat várhatunk, illetve milyen szempontból lehetnek ezek hasznosak? Megfigyelhetünk-e újfajta, erősen korrelált kvantum állapotokat nem-egyensúlyi körülmények között? Míg az alapkutatás szempontjából rengeteg izgalmas jelenséget remélhetünk a kvantum elektrodinamikai analógiák miatt, mint például a Schwinger féle párkeltés, mely meggyőző kísérleti megfigyelése napjainkig sem valósult meg, addig a nanoelektronikai alkalmazások is elsősorban az erős elektromos tér tartományában működnek, ahol nem-egyensúlyi kutatásaink különös jelentőséggel bírnak.
A tervezett kutatás célja ezen kérdések megválaszolása, valamint a két dimenzós Dirac elektronok nem-egyensúlyi spin- és töltésdinamikájának tanulmányozása, és ezek alkalmazása grafénre és topológikus szigetelőkre. Az elért eredmények segítenek majd megérteni ezen anyagok nem-egyensúlyi spin- és töltés transzport folyamatait, melyek nélkülözhetetlenek nanoelektronikai és spintronikai eszközök sikeres működéséhez.
Summary
Information technology calls for an ever increasing capability of information processing and storage. To meet these challenges, the smart design of new nanoelectronic devices, which are based on novel materials, is needed, offering exciting possibilities as well as improving markedly present day technologies. This requires the characterization of novel, exotic states of matter and understanding their non-equilibrium dynamics. Graphene - the strictly two-dimensional, honeycomb lattice of carbon atoms - is a two-dimensional electron gas with unique and promising electronic properties, making it an exciting candidate
for novel, probably even ballistic-transport-based devices. With its charge carriers being described as massless, chiral Dirac fermions, graphene has also stimulated fundamental interest in basic research. The surface states of topological insulators, a novel state of quantum matter, exhibit similar, appealing physical properties. While their equilibrium response is largely explored, there are several fundamental open issues: what happens when they are driven out-of-equilibrium, what kind of novel type of spin and charge transport is expected and what are they useful for? Is there any possibility to face novel types of strongly correlated states of matter under non-equilibrium conditions? On the one hand, a plethora of fascinating phenomena is expected from the analogy of relativistic quantum electrodynamics, such as Schwinger's pair production, whose unambiguous experimental observation is still lacking, while on the other hand, for nanoelectronic applications, the interest is in the high electric field limit, where our non-equilibrium studies are of immediate importance.
The goal of this proposal is to answer these questions and to investigate non-equilibrium spin and charge dynamics in the two-dimensional world of Dirac electrons of topological insulators and graphene. The expected results are the non-equilibrium characterization of charge and spin transport capabilities of these materials and understanding of the high field processes, essential for nanoelectronic and spintronic devices.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Egy dimenziós elektron rendszerek hagyományosan jól leírhatóak a Luttinger-folyadék képpel egyensúlyban. Mi kiterjesztettük a Luttinger-folyadék univerzalitási osztály érvényességi tartományát nem-egyensúlyi körülmények esetére a kvantum quench dinamika hatását vizsgálva a rendszer Loschmidt-echojára és a végzett munka statisztikájára nézve. A topologikus sávszerkezetek ritkák, bár jelentős igény mutatkozik irányukban pl. a kvantum számítások miatt, melyet jól mutat az idei fizikai Nobel-díj is. Topologikus átalakulásokat hagyományosan anyagtudományi eljárásokkal lehet elérni. Megmutattuk, hogy időben periódikus perturbációk hatására a topológia megváltozhat a Floquet-sávszerkezet megváltoztatása miatt. A elektron-elektron kölcsönhatás is használható hasonló céllal, melynek során a kölcsönhatás egy effektív spin-pálya csatolást hozhat létre pl. a szupravezetés helyett, mely alkalmas a topológia megváltoztatására.
Results in English
One dimensional electrons are usually described by the Luttinger liquid theory in equilibrium. We have extended the Luttinger liquid universality class to the non-equilibrium situation by investigating the quantum quench dynamics on the Loschmidt echo and statistics of work done. Topological band structures are scarse but much needed for e.g. quantum computation, which is clearly demonstrated by this year's Nobel prize in physics. Conventionally, a change in the topology of a system is achieved by using tools from material science. We have demonstrated that time periodic perturbation can be used to induce topological transitions by modifying the Floquet band structure. Electron-electron interaction can also be used to trigger topological phase transition by inducing an effective spin orbit coupling as opposed to e.g. superconductivity.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101244
Decision
Yes





 

List of publications

  
Szabolcs Vajna, Balázs Dóra: Disentangling dynamical phase transitions from equilibrium phase transitions, Phys. Rev. B 89, 161105(R), 2014
Márton Kanász-Nagy, Balázs Dóra, Eugene A. Demler, Gergely Zaránd: Stabilizing the false vacuum: Mott skyrmions, Scientific Reports 5, 7692 (2015), 2015
B. Dóra: Non-equilibrium dynamics of low dimensional quantum systems, DSc dissertation, submitted to HAS, 2014
Balázs Dóra, Igor F. Herbut, and Roderich Moessner: Occurrence of nematic, topological, and Berry phases when a flat and a parabolic band touch, Phys. Rev. B 90, 045310, 2014
B. Dóra: Escort distribution function of work done and diagonal entropies in quenched Luttinger liquids, Phys. Rev. B 90, 245132, 2014
Szabolcs Vajna, Balázs Dóra: Topological classification of dynamical phase transitions, Phys. Rev. B 91, 155127, 2015
B. Dóra, F. Pollmann: Absence of Orthogonality Catastrophe after a Spatially Inhomogeneous Interaction Quench in Luttinger Liquids, Phys. Rev. Lett. 115, 096403, 2015
B. Dóra, F. Simon: Unusual spin dynamics in topological insulators, Scientific Reports 5, 14844, 2015
B. Gulácsi, B. Dóra: From Floquet to Dicke: Quantum Spin Hall Insulator Interacting with Quantum Light, Phys. Rev. Lett. 115, 160402, 2015
Sz. Vajna, B. Dóra, R. Moessner: Nonequilibrium transport and statistics of Schwinger pair production in Weyl semimetals, Phys. Rev. B 92, 085122, 2015
B. Dóra, M. Haque, F. Pollmann, B. Hetényi: Quantum quench in two dimensions using the variational Baeriswyl wave function, Phys. Rev. B 93, 115124, 2016
B. Dóra, R. Moessner: Luttinger liquid with complex forward scattering: Robustness and Berry phase, Phys. Rev. B 93, 075127, 2016
B. Dóra, R. Lundgren, M. Selover, F. Pollmann: Momentum-Space Entanglement and Loschmidt Echo in Luttinger Liquids after a Quantum Quench, Phys. Rev. Lett. 117, 010603, 2016
Sz. Vajna, B. Horovitz, B. Dóra, G. Zaránd: Floquet topological phases coupled to environments and the induced photocurrent, Phys. Rev. B 94, 115145, 2016
B. Gulácsi, B. Dóra: Quantum spin Hall insulator interacting with quantum light: Inhomogeneous Dicke model, Phys. Stat. Sol. B, DOI: 10.1002/pssb.201600246, 2016
Zoltán Okvátovity, Ferenc Simon, Balázs Dóra: Anomalous hyperfine coupling and nuclear magnetic relaxation in Weyl semimetals, arXiv:1609.03370, 2016
B. Dóra, I. F. Herbut: Quadratic band touching with long range interactions in and out of equilibrium, Phys. Rev. B 94, 155134, 2016
Ádám Bácsi, Attila Virosztek: Low-frequency optical conductivity in graphene and in other scale-invariant two-band systems, Phys. Rev. B 87, 125425, 2013
Frank Pollmann, Masudul Haque, Balázs Dóra: Linear quantum quench in the Heisenberg XXZ chain: Time-dependent Luttinger-model description of a lattice system, Phys. Rev. B 87, 041109, 2013
Balázs Dóra, Ádám Bácsi, Gergely Zaránd: Generalized Gibbs ensemble and work statistics of a quenched Luttinger liquid, Phys. Rev. B 86, 161109, 2012
G. Fábián, B. Dóra, Á. Antal, L. Szolnoki, L. Korecz, A. Rockenbauer, N. M. Nemes, L. Forró, F. Simon: Testing the Elliott-Yafet spin-relaxation mechanism in KC8: A model system of biased graphene, Phys. Rev. B 85, 235405, 2012
L. Demkó, S. Bordács, T. Vojta, D. Nozadze, F. Hrahsheh, C. Svoboda, B. Dóra, H. Yamada, M. Kawasaki, Y. Tokura, I. Kézsmárki: Disorder Promotes Ferromagnetism: Rounding of the Quantum Phase Transition in Sr1-xCaxRuO3, Phys. Rev. Lett. 108, 185701, 2012
Balázs Dóra, Jérôme Cayssol, Ferenc Simon, Roderich Moessner: Optically Engineering the Topological Properties of a Spin Hall Insulator, Phys. Rev. Lett. 108, 056602, 2012
Takeo Wakutsu, Masaaki Nakamura, Balázs Dóra: Layer-resolved conductivities in multilayer graphene, Phys. Rev. B 85, 033403, 2012
Jérôme Cayssol, Balázs Dóra, Ferenc Simon, Roderich Moessner: Floquet topological insulators, Phys. Status Solidi RRL 7, 101, 2013
Attila Virosztek, Ádám Bácsi: Friedel Oscillations Around a Short Range Scatterer: The Case of Graphene, J. Supercond. Nov. Magn. 25, 691, 2012
P. Boross, B. Dóra, A. Kiss, F. Simon: A unified theory of the Elliott-Yafet and the D’yakonov-Perel’ spin-relaxation mechanisms, Scientific Reports, 3, 3233, 2013
B. Dóra, F. Pollmann, J. Fortágh, G. Zaránd: Loschmidt echo and the many-body orthogonality catastrophe in a qubit-coupled Luttinger liquid, Phys. Rev. Lett. 111, 046402, 2013
B. Dóra, I. F. Herbut, R. Moessner: Coupling, merging, and splitting Dirac points by electron-electron interaction, Phys. Rev. B 88, 075126, 2013
M. Vigh, L. Oroszlány, Sz. Vajna, P. San-Jose, Gy. Dávid, J. Cserti, B. Dóra: Diverging dc conductivity due to a flat band in disordered pseudospin-1 Dirac-Weyl fermions, Phys. Rev. B 88, 161413(R), 2013
D. Sticlet, B. Dóra, J. Cayssol: Persistent currents in Dirac-Fermion rings, Phys. Rev. B 88, 205401, 2013
Á. Bácsi, B. Dóra: Quantum quench in Luttinger liquids with finite temperature initial state, Phys. Rev. B 88, 155115, 2013




 

Events of the project

  
2016-02-23 11:32:57
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Fizika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem), Új kutatóhely: Elméleti Fizika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem).



Back »