.:: Дискуссионный Научный Клуб Наука НИТУ «МИСиС» ::. Коллективные явления в квантовой материи Ефетов К.Б.

Паспорт проекта

Название проекта

Коллективные явления в квантовой материи

Руководители проекта

Директор института Теоретической физики III Ефетов Константин Борисович

Цели проекта

Построение теории коллективных явлений в квантовой материи для квантовых вычислений

Задачи проекта

1) Развить теорию квантовых критических явлений в 2-х измерениях и, используя её, объяснить основные явления в высокотемпературных сверхпроводящих купратах

2) Создать компьютерную программу для численных расчётов методом квантового Монте Карло, обходящую известную проблему фермионного знака в сильно взаимодействующих электронных системaх и использовать её для вычисления термодинамических и кинетических свойств в двумерной модели Хаббарда.

3) Развить теорию коллективных когерентных квантовомеханических явлений в сверхпроводящих квантовых метаматериалах и гибридных гетероструктурах ферромагнетик-сверхпроводник и применить её к описанию экспериментов

Уникальность проекта

В проекте предложено уникальное направление исследований «Коллективные явления в квантовой материи». Его успешная реализация позволит создать в МИСиС на базе кафедры ТФКТ , лабораторий А.В. Устинова и А.И. Абрикосова Центр квантовых информационных технологий, включенный в быстро растущую международную сеть таких центров

Квантовая критичность (критическое поведение около квантовой критической точки) стала одной из самых популярных тем исследований в теоретической физике прошлых двух десятилетий. При нулевой температуре, когда система достигает определенной пороговой точки, квантовые колебания настолько сильны, что металлическое состояние разрушается. Электроны ведут себя больше не как устойчивые квазичастицы, а становятся тяжелыми и короткоживущими, существенно меняя термодинамические и транспортные свойства таких материалов. Квантовые критические точки (QCP) принадлежат к числу самых сильных возмущений, которые могут быть привнесены в металлическое состояние. Во многих публикациях квантовую критичность рассматривают как источник таинственного поведения высокотемпературных сверхпроводящих купратов [1,2], тяжелых фермионов [3] или легированных ферромагнетиков [4]. Нет сомнения, что самым интересным в теории квантовой критичности было бы объяснение явления высокотемпературной сверхпроводимости в купратах, обнаруженной более чем 25 лет назад Беднорцем и Мюллером [5]. С тех пор было опубликовано более чем 100 тыс. статей на эту тему, но, тем не менее, комплекс явлений, наблюдаемых в купратах, выглядит во многих отношениях загадочным. Отсутствует согласие и о том, каков механизм столь высоких значений температуры сверхпроводящего перехода, что является причиной "псевдощелевого" состояния, различных структур как, например, "страйпы" (полосатая фаза), шахматный порядок, и т.д. и всё еще идут горячие дебаты на тему, что происходит в этих богатых необычными свойствами материалах.

Интерес профессора Ефетова к этому предмету исследования проявился недавно, и он начал работать в этом направлении в 2012 г. Анализируя свойства спин-фермионной (SF) модели, К. Ефетов и со-авторы пришли к удивительному выводу, что обычный сценарий фазовых переходов с законами подобия и нетривиальными степенными показателями не применим к SF модели в двух измерениях. Вместо этого получается фаза псевдощелевого состояния, характеризуемая смесью сверхпроводящего и электрон-дырочного состояний. Дальний порядок в этом состоянии разрушен сильными флуктуациями в двух измерениях. Сверхпроводимость стабилизируется при низких температурах, но может быть разрушена относительно слабыми магнитными полями. В этом случае, система становится изолятором, проявляющим некоторое «шахматное» зарядовое упорядочение вместо того, чтобы стать нормальным металлом. Это абсолютно новый сценарий того, что могло бы произойти в высокотемпературных сверхпроводящих купратах, и эта работа была оценена научным сообществом, что позволило авторам опубликовать её в Nature Physics [6]. Сравнение теории и эксперимента уже (спустя несколько месяцев после публикации) вызывает интенсивные дискуссии на конференциях и школах. Исследования в этой области (сосуществование полосатой фазы и сверхпроводимости) давно ведутся на кафедре ТФКТ в группе проф. Мухина [7]-[14].

Это неожиданное развитие и состояние в данной области исследований, очевидно, показывает предельную актуальность и уникальность исследований в данном проекте. Оно определенно вдохновляет нас продолжать исследование квантового критического состояния и его отношения к физике высокотемпературных сверхпроводящих купратов, и мы планируем работать в этом направлении.

Оборудование

Многофункциональный цветной WiFi принтер HP Color LaserJet Pro M476dw MFP, 1 шт
WiFi маршрутизатор TP-LINK TL-WDR4300, 1 шт
Цифровой проектор Benq MX806ST, 1 шт
Моноблок Lenovo IdeaCentre S20-00 (F0AY001RRK), 4 шт

Мероприятия научного коллектива

Международная конференция в МИСиС «Взаимодействие сверхпроводимости и магнетизма в наносистемах» 2-4 сентября 2015г.

Партнёрство и сотрудничество

Партнёрство с Ruhr-Universitat Bochum, Institut für Theoretische Physik III, а также с Institute for Theoretical Physics, ETH Zurich,

Zurich, Switzerland (подана заявка на совместный проект по ФЦП 2.1); сотрудничество с кафедрой Физики университета Loughborough, Великобритания (А.М. Загоскин- квантовый компьютер).

О проекте
Результаты работы
Публикации
Коллектив
Меж. Конференции

В проекте предложено уникальное направление исследований «Коллективные явления в квантовой материи». Его успешная реализация позволит создать в МИСиС Центр квантовых информационных технологий, включенный в растущую международную сеть таких центров. Работа будет выполнена в трёх достаточно различающихся направлениях, но, в каждой исследуемой проблеме коллективное поведение взаимодействующих электронов - главная особенность явления. Эти направления исследования могут быть сформулированы так:

1) Исследование критического поведения в окрестности квантового фазового перехода антиферромагнетик - нормальный металл в двух измерениях

2) Написание программы для квантовомеханических расчетов методом Монте Карло для сильнокоррелированых электронных систем, не содержащей проблемы знака фермионного детерминанта, который приводит к неэффективности метода.

3) Теоретический анализ коллективных квантовомеханических когерентных явлений, происходящих в сверхпроводящих квантовых метаматериалах и гибридных системах ферромагнетик-сверхпроводник – элементной базы для квантовых вычислений и квантовой электроники.

В 1) изучается сверхпроводимость и ее конкуренция с модуляцией заряда, происходящей из-за электрон-электронного взаимодействия через критические спиновые возбуждения. Мы хотим описать фазовую диаграмму, содержащую сверхпроводимость со щелью в виде d-волны, модуляцию заряда и псевдощелевое состояние, возникающее из-за сильных флуктуаций. Мы сравним полученные результаты с недавними результатами экспериментов в сверхпроводящих купратах и надеемся объяснить их на основе модели электронов, взаимодействующих через критические спиновые возбуждения. Это может привести к окончательному решению задачи высокотемпературной сверхпроводимости и связанных явлений в купратах. В 2) мы разрабатываем программу квантового Монте Карло, используя схему бозонизации, развитую в предыдущих работах Константина Ефетова. Используя эту схему удается записать квантовое действие исходной ферми-системы в виде квантового действия вспомогательной бозе-системы, правильно описывающего зарядовые и спиновые возбуждения. Поскольку проблема фермионного знака возникает в ферми-системах, но отсутствует в бозе-системах, новая программа, использующая алгоритм Монте Карло, не будет содержать проблему знака. Это должно привести к прорыву в вычислениях методом Монте Карло для фермионных систем. Мы хотим пойти дальше и использовать эту процедуру, чтобы выполнить вычисления для двумерной модели Хаббарда с отталкиванием. В 3) мы теоретически изучаем различные коллективные когерентные квантовомеханические явления в среде кубитов, реализуемых в разнообразных сильно взаимодействующих сверхпроводящих системах, например, массивах джозефсоновских переходов, включенных в слабо диссипативный волновод, гибридных сверхпроводящих плазмонных нано-волноводах, переходах Джозефсона с ферромагнитным промежуточным слоем, случайно распределенных двухуровневых системах в переходах Джозефсона. Квантовая динамика в таких системах кардинально зависит от наличия дальнодействующего взаимодействия, беспорядка и диссипации, и/или внешнего микроволнового излучения. Это исследование также очень важно для описания экспериментов в сверхпроводящих квантовых метаматериалах, выполняемых в экспериментальной лаборатории профессора Алексея Устинова в МИСиС, созданной в рамках 220-го Постановления Правительства РФ (программа мегагрантов). Тесное сотрудничество экспериментальной и теоретической групп по этой теме приведет к значительному прогрессу на пути разработки метаматериалов для реализации квантовых вычислений и, в целом, в области обработки квантовой информации.

Исследования проводились коллективом проекта по основным пяти темам исследований, по которым получены следующие результаты:

Тема 1: Применение спин-фермионной модели к эффекту зарядового упорядочения в ядре вихря в высокотемпературных сверхпроводниках в магнитном поле.

С использованием микроскопической модели Хаббарда с отталкиванием на узле и притяжением на соседних узлах найдены аналитические решения уравнений Боголюбова-де Жена для двумерной самосогласованной модели сверхпроводника с d_ {х ^ 2-y ^ 2} симметрией сверхпроводящего параметра порядка, с учетом пространственно-неоднородных фаз связанных волн спиновой (ВСП) и зарядовой (ВЗП) плотностей. Представлены аналитические решения для связанных ВСП и ВЗП образующих «полосатую» и «шахматную» фазы в отсутствии сверхпроводимости. Найденные аналитические решения для сосуществующих пространственно-неоднородных фаз сверхпроводника и «полосатой» или «шахматной» фазы имеют радиус корреляции спин-зарядового параметра порядка превышающий расстояние между «абрикосовскими вихрями» в сверхпроводящей фазе в полях H < Hc1.

Тема 2: Поиск точных решений для фазы псевдощелевого состояния в спин- фермионной модели для расчёта различных транспортных характеристик.

Рассматриваются кинетические свойства двухмерной модели фермионов, взаимодействующих с антиферромагнитными спиновыми возбуждениями в окрестности квантовой критической точки. Предполагается, что температура или степень легирования достаточо высоки, так что псевдощель не появляется. В отличие от стандартной спин-фермионной модели предполагается, что имеются присущие системе неоднородности, подавляющие пространственные корреляции антиферромагнитных возбуждений. Представлены аргументы в пользу того, что неоднородности в спиновых возбуждениях могут быть следствием существования в легированной фазе доменных стенок со "сдвигом на пи". Усредняя по неоднородностям и вычисляя физические величины, такие как сопротивление и некоторые другие, можно объяснить необычные свойства купратов, объединенные под названием Маргинальная Ферми Жидкость. Теория куперовского спаривания в слабой связи за счет спиновых возбуждений обобщена на случай металлического антиферромагнитного состояния при наличии электронных и дырочных Ферми поверхностей (карманов), центрированных около разных точек зоны Бриллюэна. В частности мы показали, что Куперовское спаривание возникает за счет поперечных спиновых возбуждений (спиновых волн) и от продольных спиновых флуктуаций. Каждое из этих взаимодействий проецируется на определенный тип симметрии сверхпроводящей щели, и действует главным образом в пределах одного типа Ферми поверхности. Например мы нашли, что D-волновое состояние сверхпроводящей щели на электронных карманах возникает главным образом за счет продольных спиновых флуктуаций. Для дырочных карманов поперечные и продольные флуктуации приводят к спин триплетной сверхпроводимосто P-типа или же к d- волновой симметрии при увеличении допирования. В пределе малых размеров карманов, мы показали аналитически, что р-волновой симметрия является доминирующим. Наши результаты могут иметь отношение к асимметрии сосуществования AF/ SC в фазовой диаграмме купратов, а также для так называемой нодальной щели, наблюдаемой в последнее время для сильно недодопированных купратов.

Тема 3: Численные исследования спиновых и сверхпроводящих корреляций для модели Хаббарда с использованием методов бозонизации фермионных систем и моделирования методом Квантового Монте Карло. Мы изучили индуцированный спиновыми флуктуациями сверхпроводящий переход в режиме слабой связи в модели Хаббарда для двумерной квадратной решетки в парамагнитном состоянии. Мы обнаружили квантовый фазовый переход между р и d типами сверхпроводимости. Фазовый переход происходит при изменении числа электронов. Показано, что при промежуточных уровнях концентрации электронов, этот переход различные появляется из-за изменений в топологии поверхности Ферми. Вблизи сингулярностей ван Хова мы нашли решения соответствующие триплетной сверхпроводимости.

Тема 4: Теоретическое исследование коллективных плазмонных возбуждений в гибридных сверхпроводящих нановолноводах, роль тепловых и квантовых флуктуаций. Квантовая синхронизация в гибридных сверхпроводящих метаматериалах.

Мы изучили рАспирантространение электромагнитных волн в сверхпроводящем метаматериале, содержащим цепочку сверхпроводящих осцилляторов, включенных в линию передачи. Мы заметили, что в широком частотном диапазоне коэффициент передачи периодически зависит от внешнего магнитного поля и показывает сильное поглощение более 15 дБ в определенной области магнитных полей. При этих же магнитного поля наблюдалось также большое резонансное усиление коеффициента передачи. Эти сильнейшие изменения коэффициента передачи были объяснены присутствием различных классических и квантовых метастабильных состояний в этих сверхпроводящих метаматериалах. Наш теоретический анализ прохождения электромагнитных волн с учетом обоих типов метастабильных состояний захваченных в сверхпроводящем метаматериале, находится в хорошем согласии с экспериментальными наблюдениями, проведенными в МИСиС, в лаборатории проф. А. Устинова.

Тема 5: Теория макроскопического квантового туннелирования и когерентности в переходах Джозефсона с ферромагнитным слоем, в высокотемпературных сверхпроводниках и пниктидах на основе железа: синглетное/триплетное спаривание, роль коллективных возбуждений (магноны).

Мы показали, что механизм Хиггса в трехмерных топологических сверхпроводников имеет уникальные особенности, с экспериментально наблюдаемыми последствиями. В модели Хиггса имеется две сверхпроводящие компоненты и аксионная магнитоэлектрическая компонента. В рассмотренном случае роль аксионного поля выполняет разность фаз сверхпроводящих параметров порядка. Квантовые электромагнитные и фазовые флуктуации приводят к топологически нетривиальным сверхпроводящим состояниям. В низкочастотном режиме аномальный эффект Холла индуцируется в присутствии приложенного электрического поля, параллельной поверхности. Аномальный ток Холла имеет отрицательный знак, напоминая аномальный эффекта Холла, который наблюдается в ВТСП.

1. Polar Kerr effect from a time-reversal symmetry breaking unidirectional charge density wave M. Gradhand, I. Eremin and J. Knolle PHYSICAL REVIEW B; 91, 060512(R) (2015)

2. Spin-charge ordering induced by magnetic field in superconducting state: Analytical self-consistent solution in the two-dimensional model. S. I. Matveenko and S. I. Mukhin; Europhysics Letters; 109, 57007 (2015)

3. Spin current in junctions composed of multiband superconductors with a spin density wave. Andreas Moor, Anatoly F Volkov and Konstantin B Efetov; Superconductor Science and Technology; 28, 025011 (2015)

4. Doping asymmetry of superconductivity coexisting with antiferromagnetism in spin fluctuation theory. W. Rowe, I. Eremin, A.T. Rømer, B.M. Andersen and P.J. Hirschfeld; New Journal of Physics; 17, 023022 (2015)

5. Effects of lasing in a one-dimensional quantum metamaterial. Hidehiro Asai, Sergey Savel’ev, Shiro Kawabata, and Alexandre M. Zagoskin; PHYSICAL REVIEW B; 91, 134513 (2015)

6. Quantum criticality in two dimensions and marginal Fermi liquid. K. B. Efetov; PHYSICAL REVIEW B; 91, 045110 (2015)

7. Pairing gaps near ferromagnetic quantum critical points. M. Einenkel, H. Meier, C. P´epin, and K. B. Efetov; PHYSICAL REVIEW B; 91, 064507 (2015)

8. Hidden order as a source of interface superconductivity. Andreas Moor, Anatoly F. Volkov, and Konstantin B. Efetov; PHYSICAL REVIEW B; 91, 064511 (2015)

9. Euclidean action of fermi-system with ”hidden order”. S. I. Mukhin; PHYSICA B: PHYSICS OF CONDENSED MATTER; 460, 264 (2015)

10. Higgs Mechanism and Anomalous Hall Effect in Three-Dimensional Topological Superconductors. Flavio S. Nogueira, Asle Sudbø, and Ilya Eremin; PHYSICAL REVIEW B; arXiv:1504.07993. В процессе публикации.

11. Pairing symmetry of the one-band Hubbard model in the paramagnetic weak-coupling limit: a numerical RPA study. A. T. Rømer, A. Kreisel ,I. Eremin, M. A. Malakhov, T. A. Maier, P. J. Hirschfeld, B. M. Andersen; PHYSICAL REVIEW B; arXiv:1506.03593. В процессе публикации.

12. Superconducting phase diagram of itinerant antiferromagnets. A. T. Rømer, I. Eremin, P. J. Hirschfeld,B. M. Andersen; PHYSICAL REVIEW B; arXiv:1505.03003. В процессе публикации.

13. Specular Interband Andreev Reflections in Graphene; D. K. Efetov, L. Wang, C. Handschin, K. B. Efetov, J. Shuang, R. Cava, T. Taniguchi, K. Watanabe, J. Hone, C. R. Dean, and P. Kim; Nature Physics; arXiv:1505.04812. В процессе публикации.

14. Josephson phase diffusion in small Josephson junctions: a strongly nonlinear regime. M. V. Fistul; No-nonsense Physicist. An Overview of Gabriele Giuliani's Work and Life (2015); arXiv:1405.1876. В процессе публикации.

15. Electrodynamics of a planar Archimedean spiral resonator. N. Maleeva, N. N. Abramov, A. S. Averkin, M. V. Fistul, A. Karpov, A. P. Zhuravel, A. V. Ustinov; Journal of Applied Physics; arXiv:1411.5823. На рецензии

16. Resonant enhancement of MQT in Josephson junctions: the influence of coherent two-level systems. M. V. Fistul; PHYSICAL REVIEW B; arXiv:1410.4388. На рецензии.

17. Enhanced polarization-sensitive broadband photoresponse from interface junction states in graphene. N. G. Kalugin, L. Jing, E. S. Morell, M.C. Wanke, L. E. F. Foa Torres, M. V. Fistul and K.B. Efetov. В процессе написания.

18. Classical and Quantum metastable states in SQUID based metamaterials in a strong coupling regime. K. V. Shulga, M. V. Fistul, A. V. Ustinov. В процессе написания.