Strong Correlations in Cold atoms and Dirac materials

冷原子和狄拉克材料的强相关性

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2019-04434
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.04万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2020-01-01 至 2021-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Quantum technologies that involve the storage, transmission and manipulation of quantum information are an important direction for Canadian Physics research in the 21st Century. Many different platforms for these technologies are currently being explored. Two physical systems that have been suggested as possible settings for future quantum technologies are trapped cold atoms and novel electronic phases in quantum materials. In these systems much of the most fundamentally interesting and technologically relevant novel physics is found in regimes where interactions between quantum particles are strong. This motivates my research program, which focuses on developing theoretical techniques to study strongly interacting quantum systems, and applying these methods to specific physical systems of current interest. Two systems I propose to investigate are i) disordered and many body localized (MBL) cold atom systems and ii) fractional quantum Hall states in graphene and generalizations of Dirac fermions. In order to manipulate quantum information it is necessary to store it - MBL systems: disordered interacting quantum systems which do not equilibrate, have been suggested as possible quantum memories. The physics of MBL is still being established, including whether it can occur in dimensions greater than one, as suggested by recent cold atom experiments. I have developed a theoretical approach to the out of equilibrium dynamics of cold atoms described by the Bose Hubbard model which gives access to physics inaccessible by conventional methods. I will extend this method and apply it to the experimentally realized situation to assess claims of MBL. The integer and fractional quantum Hall (FQH) effects take place when two dimensional systems, such as graphene, are placed in strong perpendicular magnetic fields. Some FQH states have been suggested as possible candidates for fault tolerant quantum computing. The FQH effect (FQHE) in graphene differs from the FQHE in conventional semiconductor systems due to the relativistic dispersion and internal degrees of freedom (valley and spin) of quasiparticles in graphene. These features, in conjunction with electron interaction induced broken symmetry states, lead to a rich array of possible FQHE states in graphene which are currently not distinguished by experiment. I will develop theory to aid discrimination between different FQHE states. I will also explore generalizations of the Dirac fermions seen in graphene, which may allow for scenarios for materials realizations of relativistic particles that go beyond those accessible in high energy physics. The results of this research will be timely theoretical contributions to important current problems and high quality training of HQP. Insights from these contributions may have implications for developments in quantum technologies such as quantum simulation using cold atoms, the use of MBL for quantum memories, or platforms for quantum computation.
涉及量子信息的存储,传输和操纵的量子技术是21世纪加拿大物理学研究的重要方向。 目前正在探索这些技术的许多不同平台。 已建议将来的量子技术设置的两个物理系统被困在量子材料中的冷原子和新型电子相。 在这些系统中,在量子颗粒之间相互作用很强的方案中发现了许多最重要的有趣和技术相关的新颖物理。 这激发了我的研究计划,该计划的重点是开发理论技术来研究强烈相互作用的量子系统,并将这些方法应用于当前感兴趣的特定物理系统。 我建议研究的两个系统是i)无序和许多身体局部定位(MBL)冷原子系统以及ii)石墨烯中的分数量子霍尔态和狄拉克费米子的概括。 为了操纵量子信息,有必要存储它 - MBL系统:未平衡的相互作用量子系统,已被认为是可能的量子记忆。 正如最近的冷原子实验所表明的那样,MBL的物理学仍在建立大于一个的维度上,包括它是否可以发生在一个大于一个的维度中。 我已经开发了一种理论方法,用于通过Bose Hubbard模型描述的冷原子的平衡动力学,从而使通过常规方法无法访问物理学。我将扩展此方法并将其应用于实验意识到的情况,以评估MBL的主张。 当将二维系统(例如石墨烯)放置在较强的垂直磁场中时,整数和分数量子厅(FQH)效应就会发生。一些FQH状态被认为是可能的降低量子计算的可能候选者。 石墨烯中的FQH效应(FQHE)与常规半导体系统中的FQHE不同,这是由于石墨烯中准粒子的相对论分散和内部自由度(山谷和自旋)。 这些特征与电子相互作用诱导的破碎对称状态结合导致石墨烯中的一系列可能的FQHE状态,这些状态目前尚未通过实验区分。 我将发展理论以帮助歧视不同的fqhe国家。 我还将探讨石墨烯中看到的狄拉克植物的概括,这可能允许对相对论颗粒的材料实现的场景,这些相对论颗粒超出了高能物理中可访问的相对论颗粒。 这项研究的结果将是对当前重要问题和HQP高质量培训的及时理论贡献。 这些贡献中的见解可能对量子技术的发展有影响,例如使用冷原子,将MBL用于量子记忆或用于量子计算的平台。

项目成果

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