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Nonlinear Probes of quantum localized systems

English title Nonlinear Probes of quantum localized systems
Applicant Müller Markus
Number 166271
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Condensed Matter Theory Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.03.2017 - 30.04.2021
Approved amount 532'989.00
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Keywords (7)

many-body localization; hole burning; LiHoF4; quantum entanglement; quantum computing; quantum annealing; D-wave

Lay Summary (German)

Lead
Dynamische Lokalisierung ist ein subtiler Mechanismus in Quantensystemen, der es komplexen, ungeordneten Systemen erlaubt, beliebig lange ausserhalb des thermodynamischen Gleichgewichts zu bleiben, auch wenn das System sehr viele Freiheitsgrade enthält. Dies läuft der Ergodenhypothese entgegen, nach der grosse Systeme immer sehr rasch zum recht formlosen Gleichgewicht tendieren. Lokalisierung ermöglicht es, einen Teil der in einem Zustand enthaltenen Information beizubehalten und weiterzuverarbeiten, ohne deren Quantenkohärenz zu zerstören, was für Anwendungen interessant ist. Bisher gibt es noch wenige experimentelle Resultate, die dieses Phänomen demonstrieren und für interessante Effekte ausnutzen. Diese Lücke schliesst das Projekt am Beispiel von Quantenmagneten.
Lay summary

Lead

Dynamische Lokalisierung ist ein subtiler Mechanismus in Quantensystemen, der es komplexen, ungeordneten Systemen erlaubt, beliebig lange ausserhalb des thermodynamischen Gleichgewichts zu bleiben, auch wenn das System sehr viele Freiheitsgrade enthält. Dies läuft der Ergodenhypothese entgegen, nach der grosse Systeme immer sehr rasch zum recht formlosen Gleichgewicht tendieren.  Lokalisierung ermöglicht es, einen Teil der in einem Zustand enthaltenen Information beizubehalten und weiterzuverarbeiten, ohne deren Quantenkohärenz zu zerstören, was für Anwendungen interessant ist. Bisher gibt es noch wenige experimentelle Resultate, die dieses Phänomen demonstrieren und für interessante Effekte ausnutzen. Diese Lücke schliesst das Projekt am Beispiel von Quantenmagneten.

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

Hier soll die Lücke zwischen theoretischen Vorhersagen einerseits und Experimenten andererseits geschlossen werden. Speziell werden lokalisierende Quantenmagneten studiert, wobei Experimente an gut charakterisierten magnetischen Materialien Hand in Hand gehen mit theoretischen Untersuchungen. Insbesondere sollen Signaturen der Lokalisierung, z.B. das spektrale Löcherbrennen, untersucht und mit theoretischen Rechnungen und Modellen verglichen werden. Ein wichtiges Ziel des Projekts ist es zu verstehen, wie durch unterschiedliche Ankopplung an thermische Reservoirs verschieden geartete Quantenzustände erzeugt werden können, die sich im Grad ihrer quantenmechanischen Natur unterscheiden.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Das Projekt befasst sich mit Grundlagenforschung im Gebiet der Quantenkohärenz in Festkörpern. Es leistet einen Beitrag zum Verständnis, wie die Quantenphysik von vielen Freiheitsgraden studiert, ausgenutzt und verarbeitet werden kann. Dies ist sowohl für zukünftige quantentechnologische Anwendungen relevant als auch für verschiedene Aspekte im festkörperbasierten Quantencomputing.

Direct link to Lay Summary Last update: 18.04.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
133815 Setup for studies of quantum phenomena in condensed matter systems at ultra-low temperatures in magnetic vector fields 01.04.2012 R'EQUIP
170760 High-field THz source for pump-probe experiments at SwissFEL 01.11.2017 R'EQUIP
183304 Microwaves for coherent control of quantum matter and magnonic devices 01.12.2018 R'EQUIP
146870 Quantum Magnetism - Spinons, Skyrmions and Dipoles 01.04.2013 Project funding (Div. I-III)
183330 CristallinaXTREME: X-ray Diffraction under Extreme Conditions 01.11.2019 R'EQUIP

Abstract

Localisation in quantum systems remains both fundamental to science as well as technology. It is an old subject, starting with the work of Anderson, whose name is associated with disorder-induced localisation - and Mott who predicted a localisation transition due to the repulsion between electrons. The combined problem of many-body localisation persists to this day, despite considerable recent theoretical progress. Over the last few years, the problem has acquired practical relevance for systems of quantum devices, most notably the "D-wave" processor which attempts to implement adiabatic quantum computation, whose utility as a matter of principle may be limited by localisation effects. Indeed, such effects may impede the adiabatic adjustment of the system ground state, as well as finite temperature thermalisation. However, from an opposite point of view, this is a highly desired effect: Interacting but nevertheless localised systems constitute promising platforms for the quantum information processing of coherent, spatially localised degrees of freedom in thermodynamically large systems.These developments notwithstanding, there are few sharp experimental results in the field, and theory has not focused on devising detailed experimental tests. The present proposal joins experiment and theory to focus on a particular probe of localised states, namely the non-linear response function and spectral hole-burning in quantum magnets. Those are solid state materials which combine several features that favour localisation. The compounds under study will be the rare earth (RE) lithium fluorides, which exhibit a variety of ordered and disordered magnetic states as a function of random occupancy of the RE site by magnetic and non-magnetic ions. They also undergo quantum phase transitions as a function of transverse field imposed in the laboratory. The combination of a well-specified Hamiltonian, tunable disorder and quantum fluctuations made these insulators the original testbed for "quantum annealing". They exhibit saturation in their non-linear response and the phenomenon of spectral hole-burning, which suggest spatial localisation of excitations despite the interacting environment.Recent measurements further indicate a strong dependence of the non-linear response on transverse field, as well as on the coupling to the external thermal bath. The existing data are understood only at a qualitative level, especially because there are neither theory nor data as to the underlying microscopic spin correlations at the origin of the collective degrees of freedom that remain quantum coherent, despite their embedding in the solid. In this project, we will develop the phenomenology as well as microscopic theory. We will perform the neutron and X-ray scattering measurements that yield space- and time-dependent spin correlation functions, also in the presence of the AC drive fields responsible for hole-burning. The combination of these efforts is expected to provide an understanding of hole-burning and the emergence of quantum coherence in quantum magnets and advance the understanding of many-body localisation in general.Our project entails the first targeted experimental and theoretical study of many-body localisation in a magnetic material, thereby lifting the field of many-body localisation to a new level and paving the way towards firm conclusions about the implications of many-body localisation for quantum information.
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