Hangolható korrelált rendszerek nem egyensúlyi dinamikája
Angol cím
Non-equilibrium dynamics of tunable correlated systems
magyar kulcsszavak
korrelációk, nem egyensúly
angol kulcsszavak
correlations, non-equilibrium
megadott besorolás
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Szilárdtestfizika
zsűri
Fizika 1
Kutatóhely
Elméleti Fizika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
résztvevők
Demler Eugene Dóra Balázs Kanász-Nagy Márton Pályi András Pascu Moca Catalin Sári Judit Szirmai Edina Tőke Csaba Werner Miklós Antal Werner Miklós Antal
projekt kezdete
2013-01-01
projekt vége
2017-08-31
aktuális összeg (MFt)
17.973
FTE (kutatóév egyenérték)
13.45
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az erősen korrelált rendszerek a modern kondenzált anyag fizika egyik jelenleg is nagy kihívást jelentő és megértésre váró területét képezik. Ezen belül is különösen nagy kihívást jelent a dinamikai folyamatok és a nem egyensúlyi állapotok időbeli fejlődésének és struktúrájának megértése, mely még a legalapvetőbb rendszerekben is csak alig ismert. Az elmúlt évekbeli fejlődés következtében ezek a dinamikai tulajdonságok ma már kísérletileg vizsgálhatók mezoszkópikus áramkörök illetve hideg atomi rendszerek segítségével. Kutatásaink során mi ezeket a dinamikai tulajdonságokat vizsgáljuk majd térelméleti illetve numerikus módszerek segítségével: megvizsgáljuk, hogy az adiabatikus fejlődés hogyan sérül a rendszerbeli kölcsönhatások és a környezettel való kölcsönhatás következtében. Vizsgáljuk nem egyensúlyi rendszerek zaj spektrumát, új módszereket fejlesztünk leírásukra, és tanulmányozzuk kölcsönható rendszerek kvantum quench alatti fejlődését. Ezen kívül szeretnénk az anyag néhány egzotikusabb állapotának a dinamikai tulajdonságait is tanulmányozni (például Skyrmion dinamika, vagy poláris Wigner kristály). A javasolt kutatás erőteljesen kapcsolódik több európai csoporttal illetve az MIT-Harvard Ultrahideg Atomi Központ elmélet és kísérleti csoportjaival való együttműködéshez is.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A javasolt kutatás két fő irányvonal mentén épül fel: Az első kutatási vonal a kölcsönható rendszerekbeli adiabacitásra illetve kvantum quench-re koncentrál. Egyfelől azt vizsgáljuk majd, hogy az adiabatikus manipuláció hogyan módosuk kölcsönhatások jelenlétében, és hogyan termalizálódik a rendszer az irreleváns kölcsönhatások következtében. Másfelől megvizsgáljuk, hogy a legalapvetőbb rendszerek esetében a quench véges ideje hogyan jelentkezik a különféle megfigyelhető fizikai mennyiségekben (munkaeloszlás, korrelációs függvények, stb.). A második kutatási vonal a kölcsönható rendszerekbeli dinamika vizsgálatát tűzi ki célul. Megkíséreljük új funkcionális renormálási csoport módszerek fejlesztését, mely alkalmas bizonyos nem egyensúlyi rendszereknek a leírására, és segítségével rezonátor-csatolt kvantum pöttyök illetve egy dimenziós kvantum drótok nem egyensúlyi zaj spektrumát vizsgáljuk. Szeretnénk néhány egzotikus kvantum rendszer, mint például poláris Wigner kristály, kvantum pöttyök taszító kölcsönhatás jelenlétében, spinor kondenzátumok dinamikáját is tanulmányozni.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A javasolt kutatás a nem egyensúlyi kvantum rendszerek javarészt ismeretlen, dinamikusan fejlődő, és nagy kihívást jelentő területére koncentrál. Jelenleg a kutatók rendelkezésre álló eszközök korlátozottak és ezért a nem egyensúlyi kvantum rendszerekre vonatkozó ismereteink is szegényesek. Az itt kifejlesztésre kerülő módszerek ezért igen értékesnek bizonyulhatnak. A kutatást gyakran az aránylag egyszerű rendszerek megértése viszi előre. Mi is azt gondoljuk, hogy a projektben felsorolt egyszerű rendszerek vizsgálata hozzásegít majd bennünket, és persze így általában a fizikusokat is, hogy betekintést nyerjünk a kölcsönható rendszerekben külső erők, vagy hirtelen környezetbeli változások hatására kialakuló időfejlődésébe, és hozzásegít, hogy megértsük a zaj struktúráját ezekben a rendszerekben. Ez a megértés hozzásegítheti a kísérleti fizikusokat ezeknek a korrelált rendszereknek a működtetéséhez, a jobb kvantum kontrollhoz, vagy hogy megszabaduljanak a nem kívánt nem adiabatikus folyamatoktól, melyek a kvantum művelet során való információvesztéshez vezetnek. Ezen túlmenően, a kutatásaink alapvetőbb összefüggésekre is rávilágíthatnak. Például a Luttinger folyadékbeli munka eloszlásának vizsgálata a kölcsönható nem egyensúlyi rendszerekbeli munka eloszlás és így a nem egyensúlyi statisztikus fizika mélyebb összefüggéseinek ill. általános törvényszerűségeinek megismeréséhez is elvezethet.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Célunk a kölcsönható nem egyensúlyi rendszerek, mint például rádiófrekvenciás rezonátorokhoz csatolt kvantum pöttyök vagy ultrahideg atomi gázok időfejlődésének vizsgálata. Ezeknek a rendszereknek a megértése nemcsak az elméleti fizikusok számára jelent kihívást, de a jövőbeli alkalmazások szempontjából is fontos lehet, mivel hozzásegítheti a kísérleti fizikusokat is ahhoz, hogy a kvantummechanikai fejlődést jobban kontrollálják. Kutatásaink során új módszereket fejlesztünk ezeknek a rendszereknek az elméleti leírásához, vizsgáljuk az általuk generált zaj struktúráját, és azt tanulmányozzuk, hogy a kölcsönhatás illetve a véges műveleti idő hogyan vezethet disszipációhoz illetve a kvantum kontroll elvesztéséhez.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Studying and understanding strongly correlated systems has been and continues to be one of the main challenges of modern condensed matter physics. It is, however, even more challenging and of particular importance to understand dynamical processes and the structure and time evolution of non-equilibrium states in prototypical strongly correlated systems. Due to recent developments, such dynamical properties can now be experimentally accessed using meoscopic devices or ultracold atom systems. In our research, we shall investigate such dynamical properties using field theoretical and numerical methods: we shall study, how adiabatic evolution is destroyed in a strongly interacting system due to the presence of interactions and the environment. We shall investigate the structure of noise in non-equilibrium systems and develop new methods to understand it, and we shall also study properties of interacting systems in course of a quantum quench. Furthermore, we would also like to explore and understand the dynamical properties of new exotic states of matters (Skyrmion dynamics, polar Wigner crystals, etc.). The proposed research builds upon collaboration with European experimental and theory groups and with The MIT-Harvard Center of Ultracold Atoms.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The proposed research consists of two main research lines. The first research line focuses on adiabaticity and quantum quench in interacting systems. Here we investigate, on the one hand, how adiabatic manipulations are modified in interacting systems, and how irrelevant interactions lead to thermalization. On the other hand, we shall study, how finite quench times,- always present in experiments.- manifest in various quantities (work statistics, correlations functions etc.) after the quench, in prototypical systems. The second research line focuses on dynamics and correlations in interacting systems. We shall attempt to develop new functional renormalization group methods to describe non-equilibrium systems, and shall study non-equilibrium noise spectra in cavity coupled quantum dots and one dimensional wires. We shall also investigate dynamics in more exotic quantum states such as polar Wigner crystals, quantum dots with repulsive interaction, or spinor condensates.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The proposed research is expected to contribute to the largely unexplored, dynamically evolving, and challenging field of non-equilibrium quantum systems. The methods, by which these systems can be investigated, are currently very limited, and our understanding of these systems is poor. The new methods to be developed here can therefore be of great value in this field. In research, understanding is typically gained through particular simple examples: we also believe that the study of the particular systems shall provide us and to the whole community more insight into the time evolution of these systems under external driving forces, or sudden changes in the environment, and contribute to our understanding of the structure of noise in these systems. This understanding may enable experimentalists to manipulate these systems in a more controlled way, and to control better, e.g., unrequested non-adiabatic processes and information loss in course of quantum control, one of the ultimate goals of this field. Furthermore, some of our results may have more fundamental implications. Our research on work statistics in a Luttinger liquid, e.g., may uncover general and fundamental laws of work statistics and non-equilibrium statistical mechanics in interacting systems.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. We propose to study time dependent properties of interacting non-equilibrium systems, such as radio frequency controlled quantum dots or ultracold atomic gases. Understanding the dynamics of these systems is not only a challenge for theoretical physicists, but it can also enable experimentalists to gain better quantum control over them for potential future applications. In our research, we develop new methods to study these systems, we attempt to investigate the structure of noise through these devices, and explore how interactions during finite time manipulations can lead to dissipation and loss of control.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Kutatásaink során erősen korrelált rendszerek dinamikai tulajdonságait vizsgáltuk térelméleti illetve numerikus módszerek segítségével, több európai csoporttal illetve az MIT-Harvard Ultrahideg Atomi Központ elméleti és kísérleti csoportjaival együttműködve.
Kutatásunkat két fő irányvonal mentén végeztük: Az első kutatási vonal a kölcsönható rendszerekbeli kvantum kvencsekre koncentrált. Időfüggő folyamatok vizsgálatára alkalmas TEBD kódot fejlesztettünk, melynek segítségével kölcsönható rendszerek termalizációját vizsgáltuk, nem egyensúlyi munkaeloszlást, valamint korrelációs függvények és megfigyelhető mennyiségek teljes eloszlását és ultrahideg atomi rendszerek időfejlődését tanulmányoztuk térelméleti módszerek segítségével.
Projektünk másik fő céljaként korrelált rendszerek nem egyensúlyi zaj spektrumát és transzport tulajdonságait vizsgáltuk, illetve kölcsönható rendszerek dinamikáját vizsgáltuk, valamint egzotikus kvantum rendszerek, például egy dimenziós Wigner kristály, kvantum pöttyök ill. spinor kondenzátumok dinamikáját és struktúráját tanulmányoztuk.
Kutatásaink eredményeképp többek között egy-egy Nature és Nature Phyiscs publikáció, 8 Physical Review Letters közlemény, 3 (Nature) Scientific Reports közlemény, valamint mintegy 45 Physical Review A/B/E közlemény, valamint ezeken felül további 5, a projekthez kapcsolódó kéziratunk van elbírálás alatt. Ezekre a publikációkra körülbelül 400 idegen hivatkozás érkezett mind ez idáig.
kutatási eredmények (angolul)
Our research focused on the dynamical properties of strongly correlated quantum systems, which we investigated using advanced numerical and field theoretical methods, in collaboration with several European research groups and the MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.
Our investigations have been carried out along two main research lines. The goal of the first research line was to deepen our understanding of quantum quenches. Among others, we developed a time-evolving block decimation (TEBD) code twhich we used to study thermalization in interacting quantum systems, we have studied non-equilibrium work statistics, the time dependence of correlations functions, the full counting statistics of various observables, and the time evolution of ultracold atomic systems by using field theoretical tools.
Along the other research line, we have studied transport properties and noise spectra of non-equilibrium nanosystems, and investigated exotic quantum states of matter such as one-dimensonal Wigner crystals, coupled quantum dot systems, and spinor condensates.
The results of our reseach have been published in distinguished publications, including one Nature and one Nature Physics publication, 8 Physical Review Letters, 3 Scientific Reports, and 45 Physical Review A/B/E publications, and 5 more preprints, submitted to prominent research journals. These publications received so far over 400 independent citations.
Catalin Pascu Moca, Christophe Mora, Ireneusz Weymann, Gergely Zarand: Noise of a chargeless Fermi liquid, submitted to Phys. Rev. Lett. (https://arxiv.org/abs/1701.06215), 2017
