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

  1. Многофункциональный цветной WiFi принтер HP Color LaserJet Pro M476dw MFP, 1 шт
  2. WiFi маршрутизатор TP-LINK TL-WDR4300, 1 шт
  3. Цифровой проектор Benq  MX806ST, 1 шт
  4. 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).

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.

19.     Effect of Van Hove Singularities on d-form factor charge order in the cuprates. P. Volkov and K. B. Efetov. В процессе написания.

Surface states induced giant oscillations of the conductance in the quantum Hall regime. A. Kadigrobov and M. V. Fistul. В процессе написания.

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

Студент Макитрук Д.А., НИТУ «МИСиС», лаборант

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика