Quantum Simulation of an FFLO Superconductor

FFLO 超导体的量子模拟

基本信息

  • 批准号:
    2309362
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 59.9万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-08-01 至 2026-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

The discovery of superconductivity was a watershed moment in 20th century physics, sparking the new field of condensed matter physics, as well as enabling new technologies. The essence of superconductivity is that some materials become perfect conductors of electricity when cooled below a critical temperature Tc. Tc is typically below the temperature where air liquifies. The mechanisms that underlie superconductivity are not fully known, nor do we know the upper limit of Tc. We do know that the charge-carrying particles are pairs of electrons that are weakly bound to each other by various effective interactions. One of the proposed pairing mechanisms is the “FFLO superconductor,” named after the initials of the four proposers, in which the pairs may survive the presence of a strong magnetic field. Despite many searches, the FFLO superconductor remains elusive. Its existence, however, would give physicists more insight into the inner workings of superconductivity and it would unlock new applications, such as ultra-fast electronic computers and magnetic resonance imaging (MRI). The PI will use quantum simulation to realize a model of the FFLO superconductor, for which ultra-cold atoms stand-in for the electrons, which move in a periodic crystal lattice made from standing waves of light. This type of quantum simulation faithfully realizes a model of the FFLO superconductor and will enable the PI and students to test the theoretical predictions. Several students are expected to earn PhD degrees working on this project with the PI, and likely some of these will gain employment at innovative start-up companies contributing their expertise to develop new technologies for quantum computation.Superconductivity and magnetism are phases of matter commonly found in electronic materials that do not coexist. The FFLO superconductor may adapt to a co-existing magnetic field if the Cooper pairs acquire a finite center-of-mass momentum rather than forming zero momentum pairs as in the standard theory of superconductivity. It is believed that FFLO is most favored in low-dimensions, either in quasi-1D or 2D. As of yet, there is no direct evidence for finite momentum Cooper pairs. The PI will resolve whether the FFLO state, with finite-momentum pairing, is a legitimate phase of matter by simulating the actual electronic materials subjected to a magnetic field, with a spin-imbalanced atomic Fermi gas confined to a two-dimensional array of one-dimensional waveguides formed using a 2D optical lattice. The lattice potential is weak enough that atoms in adjacent waveguides interact via tunnel coupling. The resulting domain walls, the definitive signature of the FFLO state, will be directly imaged.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
超导性的发现是 20 世纪物理学的一个分水岭,引发了凝聚态物理的新领域,并催生了新技术。超导性的本质是,某些材料在冷却到临界温度 Tc 以下时会成为完美的电导体。 Tc 通常低于空气液化的温度。超导性的机制尚不完全清楚,我们也不知道 Tc 的上限。是通过各种有效相互作用彼此弱结合的电子对,其中一种被提议的配对机制是“FFLO超导体”,以四位提议者名字的首字母命名,其中电子对可以在强磁场的存在下幸存下来。尽管进行了许多研究,但 FFLO 超导体仍然难以捉摸,然而,它的存在将使物理学家对超导的内部工作原理有更多的了解,并将开启新的应用,例如超高速电子计算机和磁共振。 PI 将使用量子模拟来实现 FFLO 超导体的模型,其中超冷原子代表电子,电子在由光驻波构成的周期性晶格中移动。量子模拟忠实地实现了 FFLO 超导体的模型,并使 PI 和学生能够测试理论预测,预计有几名学生将与 PI 一起参与该项目获得博士学位,其中一些学生可能会获得博士学位。在创新型初创公司就业,贡献他们的专业知识来开发量子计算新技术。超导和磁性是电子材料中常见的物质相,如果库珀存在,FFLO超导体可能会适应共存的磁场。人们相信,FFLO 在低维(准一维或准一维)中最受青睐。 2D. 到目前为止,还没有直接证据证明有限动量库珀对可以通过模拟受到磁场影响的实际电子材料来确定具有有限动量配对的 FFLO 状态是否是物质的合法相。自旋不平衡原子费米气体被限制在使用二维光学晶格形成的一维波导的二维阵列中,晶格势足够弱,以至于相邻波导中的原子相互作用。由此产生的域墙(FFLO 状态的最终签名)将被直接成像。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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