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Frustration, topology and quantum effects in new realizations of antiferromagnetism

English title Frustration, topology and quantum effects in new realizations of antiferromagnetism
Applicant Mila Frédéric
Number 182179
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Chaire de théorie de la matière condensée EPFL - SB - ITP - CTMC
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Theoretical Physics
Start/End 01.10.2018 - 30.09.2022
Approved amount 652'799.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Theoretical Physics
Condensed Matter Physics

Keywords (7)

Kondo effect; Strongly correlated electrons; Cold atoms; Ising model; Frustrated magnetism; Quantum magnetism; Heisenberg model

Lay Summary (French)

Lead
L'étude de systèmes réalisant de nouvelles phases de la matière est un des thèmes majeurs de la recherche fondamentale contemporaine, et les systèmes magnétiques sont parmi les plus prometteurs pour découvrir de nouvelles propriétés et, à terme, de nouvelles fonctionnalités. Dans ce domaine, la curiosité reste le moteur principal et le meilleur garant d'une certaine originalité. C'est dans cet état d'esprit qu'un certain nombre de variations autour de l'antiferrmagnétisme seront étudiés dans ce projet.
Lay summary

Ce projet est dédié à l'étude de systèmes qui, sous une forme ou sous une autre, réalisent de nouvelles formes d'antiferromagnétisme et sont susceptibles de conduire à de nouveaux états de la matière: 1) Des systèmes d'atomes ultra-froids piégés dans un réseau optique, dont nous espérons montrer qu'ils réalisent naturellement des phases topologiques chirales; 2) Des assemblages de nano-pilliers magnétiques sur des réseaux très frustrés, comme par exemple le réseau kagomé, dans lesquels on s'attend à ce que la compétition entre la frustration et les interactions dipolaires à longue portée conduise à des propriétés très originales telles qu'une entropie résiduelle ou des transitions de phases exotiques; 3) Des amas d'atomes de cobalt déposés en surface qui, en présence d'un champ magnétique, donnent naissance à des croisements de niveaux avec des implications expérimentales très intéressantes notamment concernant le temps de cohérence du sytème, qui devient théoriquement infini à un croisement de niveau.

Cette recherche s'inscrit dans le cadre d'un effort de la communauté de physique du solide pour découvrir des propriétés radicalement différentes de la matière qui, à l'instar des semiconducteurs découverts dans les années 30,  seront à la base de la technologie du futur.  

Direct link to Lay Summary Last update: 28.09.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
160765 Mott Physics Beyond the Heisenberg Model in Iridates and Related Materials 01.01.2016 Sinergia
169036 Quantum magnetism in bulk materials, surface physics, and cold atoms 01.10.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

In this project, we will address the theoretical challenges posed by recent experiments in which new forms of antiferromagnetism are realized, with the potential to lead to new classical or quantum states of matter.1) Ultra-cold atoms: We will investigate the properties of the SU(N) Heisenberg model that is realized in the Mott phase of ultracold fermionic atoms loaded in an optical lattice. We will in particular focus on the stabilization of chiral spin liquid phases in realistic models and on the characterization of their topological edge states in finite geometries.2) Arrays of magnetic nanopillars: We will study the ground state and thermal properties of arrays of magnetic nanopillars in which the long range nature of the dipolar interactions induces a very strong frustration. The main issues will be to understand the nature of the ground state, its degeneracy (if any), and the nature of the thermal phase transitions (Kasteleyn, Pokrovsky Talapov, Ising, etc.) in various geometries including triangular and kagome.3) Co adatoms on surfaces: We will investigate the properties of arrays of Co adatoms on metallic surfaces in the presence of an external magnetic field as revealed by scanning tunneling microscopy (STM) experiments. We will look at the fate of the level crossings of the purely 1D case in other geometries, and we will investigate the STM response close to field induced level crossings, where a Kondo effect is expected to take place.
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