- Научные направления
- Решения для бизнеса
- Спецпроекты
- Ученые
- Мнения
- События
- Для ученых
- Потенциал
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.
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
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,
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.
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.
2014 | A. Moor, A.F. Volkov, K.B. Efetov | Topological defects in systems with two competing order parameters: Application to superconductors with charge and spin density waves. | Physical Review B |
2014 | A. Moor, A.F. Volkov, and K.B. Efetov | Hidden order as a source of interface superconductivity | Physical Review B |
2014 | A. Moor, A.F. Volkov, P.A. Volkov, K.B. Efetov. | Dynamics of order parameters near stationary states in superconductors with a charge-density wave. | Physical Review B |
2014 | M. Einenekel, H. Meier, C. Pepin, K.B. Efetov | Vortices and charge order in high-Tc superconductors
(Editors suggestion) | Physical Review B |
2014 | M. Gradhand, I. Eremin, and J. Knolle | Polar Kerr effect from a time-reversal symmetry breaking unidirectional charge density wave | Phys. Rev. B (Rapid Communication) |
2014 | S.I. Mukhin. | Euclidian action of Fermi system with “hidden order” | Physica B |
2014 | K.B. Efetov | Quantum criticality in two dimensions and Marginal Fermi Liquid | Physical Review B |
2014 | W. Rowe, I. Eremin, A. Rømer, B.M. Andersen, P.J. Hirschfeld | Doping asymmetry of superconductivity coexisting with antiferromagnetism in spin fluctuation theory. | New Journal of Physics (2015) |
2014 | M. Guarise, B. Dalla Piazza, H. Berger, E. Giannini, T. Schmitt, H.M. Rønnow, G.A. Sawatzky, J. van den Brink, D. Altenfeld, I. Eremin, & M. Grioni | Anisotropic softening of magnetic excitations along the nodal direction in superconducting cuprates | Nature Communications |
2014 | M. Einenkel, H. Meier, C. Pepin, K.B. Efetov | Pairing gaps near ferromagnetic quantum critical points. | Physical Review B |
2014 | S.I. Matveenko and S.I. Mukhin | Spin-charge ordering induced by magnetic field in superconducting state: Analytical self-consistent solution in the twodimensional model | Europian Physics Letters |
2014 | M.V. Fistul | Resonant enhancement of macroscopic quantum tunneling in Josephson junctions: Influence of coherent two-level systems | Physical Review B |
2014 | M. H. Christensen, Jian Kang, B. M. Andersen, I. Eremin, R. M. Fernandes | Spin reorientation driven by the interplay between spin-orbit coupling and Hund's rule coupling in iron pnictides | Physical Review B |
2014 | J. M. Allred, K. M. Taddei, D. E. Bugaris, M. J. Krogstad, S. H. Lapidus, D. Y. Chung, H. Claus, M. G. Kanatzidis, D. E. Brown, J. Kang, R. M. Fernandes, I. Eremin, S. Rosenkranz, O. Chmaissem, R. Osborn | Double-Q spin-density wave in iron arsenide superconductors | Nature Physics |
2015 | F. S. Nogueira, I. Eremin | Thermal screening at finite chemical potential on a topological surface and its interplay with proximity-induced ferromagnetism | Physical Review B |
2015 | Flavio S. Nogueira, Asle Sudbo, and Ilya Eremin | Higgs Mechanism, Phase Transitions, and Anomalous Hall Effect in Three-Dimensional Topological Superconductors | Physical Review B |
2015 | A. Moor, A.F. Volkov, K.B. Efetov | Nematic versus ferromagnetic spin filtering of triplet Cooper pairs in superconducting spintronics | Phys. Rev. B (Rapid Communications) |
2015 | Hidehiro Asai, Sergey Savel’ev, Shiro Kawabata, and Alexandre M. Zagoskin | Effects of lasing in a one-dimensional quantum metamaterial | Physical Review B |
2015 | Alexandre M. Zagoskin, Arkadi Chipouline, Evgeni Il’ichev, J. Robert Johansson, Franco Nori | Toroidal qubits: naturally-decoupled quiet artificial atoms | Scientific Reports |
2015 | A.M. Zagoskin, Didier Felbacq, and Emmanuel Rousseau | Quantum metamaterials in the microwave and optical ranges | EPJ Quant. Technology |
2015 | M.V. Fistul, K.B. Efetov | Radiation-induced quantum Fano-type resonances in the transport of N-P-N graphene based junctions. | Physical Review B |
2015 | A. M. Kadigrobov and M V Fistul, Journal of Physics | Bound states induced giant oscillations of the conductance in the quantum Hall regime | Journal of Physics: Condensed Matter |
2015 | A. Moor, A.F. Volkov, K.B. Efetov | Spin current in junctions composed of multiband superconductors with a spin density wave. | arXiv:1508.07156 |
2015 | P. Jung, S. Butz, M. Marthaler, M. V. Fistul, J. Leppäkangas, V. P. Koshelets, A. V. Ustinov | Multistability and switching in a superconducting metamaterial | NATURE COMMUNICATIONS |
2015 | P. A. Volkov, M. V Fistul | Collective quantum coherent oscillations in a globally coupled array of superconducting qubits | Physical Review B |
2015 | M. V. Fistul | Electrodynamics of a ring-shaped spiral resonator | Journal of Applied Physics |
2015 | M. V. Fistul | Electrodynamics of a planar Archimedean spiral resonator | Journal of Applied Physics |
2015 | 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 | Specular Andreev reflections at van der Waals interfaces and NbSe2. | Nature Physics |
2015 | Ya. I. Rodionov and S. V. Syzranov | Conductivity of a Weyl semimetal with donor and acceptor impurities | Physical Review B |
2015 | B. Kamble, A. Akbari and I. Eremin | Investigation of magnetic phases in parent compounds of iron-chalcogenides via quasiparticle scattering interference | Europhysics Letters |
2015 | Pavel A. Volkov, Konstantin B. Efetov | Overlapping Hot Spots and Charge Modulation in Cuprates | J Supercond Nov Magn |
2016 | Andreas Moor, Anatoly F. Volkov, Konstantin B. Efetov | Excess current in ferromagnet-superconductor structures with fully polarized triplet component | PHYSICAL REVIEW B |
2016 | A. T. Roemer,I. Eremin, P. J. Hirschfeld, B. M. Anderse | Superconducting phase diagram of itinerant antiferromagnet | PHYSICAL REVIEW B |
2016 | Pavel A. Volkov, Konstantin B. Efetov | Spin-fermion model with overlapping hot spots and charge modulation in cuprates | PHYSICAL REVIEW B |
2016 | Andreas Moor, Anatoly F. Volkov, Konstantin B. Efetov | Josephson effect in multiterminal superconductor-ferromagnet junctions coupled via triplet components | PHYSICAL REVIEW B |
2016 | Dmitri K. Efetov and Konstantin B. Efetov | Crossover from retro to specular Andreev reflections in bilayer graphene | Physical Review B |
2016 | N. Kalugin, L. Jing, M. Suarez, G. Dyer, L. Wickey, M. Ovezmyradov, A. Grine, M. Wanke, E. Shaner, Lau Chun Ning; L. Foa Torres, M.V. Fistul, and K.B. Efetov | Photoelectric polarization-sensitive broadband photoresponse from interface junction states in graphene | 2D Materials |
2016 | M. A. Iontsev, S.I. Mukhin, M.V. Fistul | Double resonance response of a superconducting quantum metamaterial: manifestation of non-classical states of photons | Physical Review B |
2016 | Pavel A. Volkov, Konstantin B. Efetov | Overlapping Hot Spots and Charge Modulation in Cuprates | J Supercond Nov Magn |
2017 | P. I. Karpov and S. I. Mukhin | Polarizability of electrically induced magnetic vortex plasma | PHYSICAL REVIEW B |
2017 | A. Zagoskin | Propagation of fluctuations in the quantum Ising model | PHYSICAL REVIEW B |
2017 | Ilya Eremin | Dichotomy between in-plane magnetic susceptibility and resistivity anisotropies in extremely strained BaFe2As2 | NATURE COMMUNICATIONS |
2017 | Ilya Eremin | Electronic properties, low-energy Hamiltonian, and superconducting instabilities in CaKFe4As4 | PHYSICAL REVIEW B |
2017 | M. V. Fistul | Anderson localization in generalized discrete-time quantum walks | PHYSICAL REVIEW B |
2017 | Konstantin B. Efetov | Superbosonization in disorder and chaos: Role of anomalies | PHYSICAL REVIEW B |
2017 | Pavel A. Volkov, Konstantin B. Efetov, Ilya Eremin | s + i s superconductivity with incipient bands: Doping dependence and STM signatures | PHYSICAL REVIEW B |
2017 | M. V. Fistul | Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits | NATURE COMMUNICATIONS |
2017 | M.V. Fistul, K.B. Efetov | Photoelectric polarization-sensitive broadband photoresponse from interface junction states in graphene | 2D MATERIALS |
2018 | К.Б. Ефетов | Charge and current orders in the spin-fermion model with overlapping hot spots
(editor’s suggestion) | Physical Review B |
2018 | И.М. Еремин | Spin–orbit coupling, minimal model and potential Cooper-pairing from repulsion in BiS2-superconductors | New Journal of Physics |
2018 | С.И. Мухин | First-order dipolar phase transition in the Dicke model with infinitely coordinated frustrating interaction | Physical Review A |
Проф., д.ф.-м.н. Ефетов К.Б., Рурский университет Бохум, Германия, Научный руководитель проекта, г.н.с.
Проф., д.ф.-м.н. Мухин С.И., НИТУ «МИСиС», заведующий кафедрой.
К.ф.-м.н. Фистуль М.В., Рурский университет Бохум, Германия, с.н.с.
К.ф.-м.н. Загоскин А.М., Университет Лафборо, Великобритания, c.н.с.
К.ф.-м.н. Еремин И.М., Рурский университет Бохум, Германия, с.н.с.
К.ф.-м.н. Галимзянов Т.Р., НИТУ «МИСиС», ассистент, н.с.
К.ф.-м.н. Родионов Я.И., Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН (ИТПЭ РАН), н.с./доцент.
Аспирант Карпов П.И., НИТУ «МИСиС», инженер
Аспирант Дроздова А.А., НИТУ «МИСиС», инженер
Аспирант Клюева М.В., НИТУ «МИСиС», инженер
Аспирант Канделаки Е.Д., Рурский университет Бохум, Германия, инженер
Аспирант Matthias Einenkel, Рурский университет Бохум, Германия, инженер
Аспирант Волков П.А., Рурский университет Бохум, Германия, инженер
Студент Сеидов С.С., НИТУ «МИСиС», лаборант
Студент Ионцев М.А., НИТУ «МИСиС», лаборант