!!! Egzotikus kvantumfázisok és kölcsönhatások ultrahideg atomi rendszerekben. Kanász-Nagy Márton. Témavezető: Dr. Zaránd Gergely. Ph.D.

Hasonló dokumentumok
Pósfay Péter. arxiv: [hep-th] Eur. Phys. J. C (2015) 75: 2 PoS(EPS-HEP2015)369

Univerzalitási osztályok nemegyensúlyi rendszerekben, Ódor Géza

Korrelációk és dinamika kölcsönható hideg atomi rendszerekben

MUNKATERV / BESZÁMOLÓ

Ultrahideg atomok topológiai fázisai

2010. január 31-én zárult OTKA pályázat zárójelentése: K62441 Dr. Mihály György

Kvantumszimulátorok. Szirmai Gergely MTA SZFKI. Graphics: Harald Ritsch / Rainer Blatt, IQOQI

Fluktuáló momentumok egy- és kétdimenziós Mott-szigetelőkben

NA61/SHINE: Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramja

Sinkovicz Péter, Szirmai Gergely október 30

Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

Nanoelektronikai eszközök III.

Mágnesség és elektromos vezetés kétdimenziós

József Cserti. ELTE, TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék. A évi fizikai Nobel-díj. a topológikus fázisokért...

Szeretném megköszönni opponensemnek a dolgozat gondos. 1. A 3. fejezetben a grafén nagyáramú elektromos transzportját vizsgálja és

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

dinamikai tulajdonságai

Hibrid mágneses szerkezetek

Jahn Teller-effektus Cs 3 C 60 -ban. Pergerné Klupp Gyöngyi. Matus Péter, Kamarás Katalin MTA SZFKI

Szilárdtestek mágnessége. Mágnesesen rendezett szilárdtestek

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia?

Hegedüs Árpád, MTA Wigner FK, RMI Elméleti osztály, Holografikus Kvantumtérelméleti csoport. Fizikus Vándorgyűlés Szeged,

Normális, szimmetriasértő és szimmetriát nem sértő, mégsem normális elektronrendszerek szilárd testekben Sólyom Jenő MTA Wigner FK és ELTE

Vázlatos tartalom. Szerkezet jellemzése és vizsgálata Szilárdtestek elektronszerkezete Rácsdinamika Transzportjelenségek Mágneses tulajdonságok

A TételWiki wikiből. c n Ψ n. Ψ = n

Egzotikus magneto-optikai effektusok kristályos anyagokban

Monte Carlo módszerek a statisztikus fizikában. Az Ising modell. 8. előadás

Magfizika szeminárium

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 13. mérés: Molekulamodellezés PC-n április 29.


Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Doktori disszertáció. szerkezete

BKT fázisátalakulás és a funkcionális renormálási csoport módszer

Kiterjedt térelméleti megoldások és perturbációik

Magyarkuti András. Nanofizika szeminárium JC Március 29. 1

Fourier-sorfejtés vizsgálata Négyszögjel sorfejtése, átviteli vizsgálata

Átmenetifém-komplexek ESR-spektrumának jellemzıi

ESR-spektrumok különbözı kísérleti körülmények között A számítógépes értékelés alapjai anizotróp kölcsönhatási tenzorok esetén

Bevezetés a részecske fizikába

BÍRÁLAT. Kállay Mihály Automatizált módszerek a kvantumkémiában című MTA doktori értekezéséről.


A Mössbauer-effektus vizsgálata

DIPLOMAMUNKA TÉMÁK AZ MSC HALLGATÓK RÉSZÉRE A SZILÁRDTEST FIZIKAI TANSZÉKEN 2018/19.II.félévre

Szakmai zárójelentés. A F68726 projektszámú OTKA keretében végzett kutatásokról.

Abszorpció, emlékeztetõ

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Erős terek leírása a Wigner-formalizmussal

Rendezetlenség által dominált szinguláris viselkedés klasszikus- és kvantum rendszerekben

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Modern Fizika Labor Fizika BSC

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

Numerikus módszerek. 9. előadás

Al-Mg-Si háromalkotós egyensúlyi fázisdiagram közelítő számítása

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Beszámoló Munka kezdete és befejezése: I. Félév

Mágneses módszerek a mőszeres analitikában

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Az BF61726 számú, Nem egyensúlyi spin transzport és korrelációk nanostruktúrákban című OTKA projekt zárójelentése

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Szilárdtestek el e ek e tr t o r n o s n zer e k r ez e et e e t

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

Két 1/2-es spinből álló rendszer teljes spinje (spinek összeadása)

Részecske azonosítás kísérleti módszerei

Fluidum-kőzet kölcsönhatás: megváltozik a kőzet és a fluidum összetétele és új egyensúlyi ásványparagenezis jön létre Székyné Fux V k álimetaszo

Az A 2 -probléma eliminálása a rezonátoros kvantumelektrodinamikából

Modern fizika laboratórium

Nemkonvencionális Kondenzátumok a Szilárdtestfizikában

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

SZTE Elméleti Fizikai Tanszék. Dr. Czirják Attila tud. munkatárs, c. egyetemi docens. egyetemi docens. Elméleti Fizika Szeminárium, december 17.

elektronrendszerek gerjesztései Sári Judit

Elektronspinrezonancia (ESR) - spektroszkópia

Megmérjük a láthatatlant

Evans-Searles fluktuációs tétel Crooks fluktuációs tétel Jarzynski egyenlőség

Modern fizika laboratórium

Munkabeszámoló. Sinkovicz Péter. Témavezető: Szirmai Gergely. Kvantumoptikai és Kvantuminformatikai Osztály. Lendület program

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 12. mérés: Infravörös spektroszkópia május 6.

Mivel foglalkozik a hőtan?

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

A hosszúhullámú sugárzás stratocumulus felhőben történő terjedésének numerikus modellezése

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

Paritássértés FIZIKA BSC III. MAG- ÉS RÉSZECSKEFIZIKA SZEMINÁRIUM PARITÁSSÉRTÉS 1

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék

Az elektromágneses hullámok

A továbbiakban röviden ismertetem mindegyik közleményt és hivatkozom az OTKA közlemények listájára.

A hőterjedés dinamikája vékony szilikon rétegekben. Gambár Katalin, Márkus Ferenc. Tudomány Napja 2012 Gábor Dénes Főiskola

2015/16/1 Kvantummechanika B 2.ZH

Elektronszínképek Ultraibolya- és látható spektroszkópia

Kevés szabadsági fokú kvantumrendszerek dinamikai tulajdonságai

elemi gerjesztéseinek vizsgálata

Átírás:

Egzotikus kvantumfázisok és kölcsönhatások ultrahideg atomi rendszerekben Kanász-Nagy Márton Témavezető: Dr. Zaránd Gergely Ph.D. tézisfüzet Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elméleti Fizika Tanszék (2015)

Háttér Az ultrahideg atomi rendszerek technológiája hatalmas fejlődésen ment keresztül az elmúlt 20 évben, sokoldalú kísérleti technikát hozva létre. Ezt a fejlődést eredetileg az újfajta lézeres hűtési eljárások megjelenése indította el, amik lehetővé tették, hogy atomi gázokat a kvantum-degenerált tartományba hűtsenek, hat nagyságrenddel a mai legjobb kriosztátokkal elérhető hőmérséklet alá. Mára ezen gázok számos fizikai paramétere, többek között a kölcsönhatásuk, a kémiai potenciálok és a rendszer geometriája is tág határok között hangolhatóvá vált. Optikai rácsokkal és mesterséges mágneses terekkel a szilárdtestekéhez hasonló környezetet lehet létrehozni az atomok számára, továbbá mind bozonikus, mind fermionikus kondenzátumok és spines rendszerek is megvalósíthatók. Az ultrahideg rendszerek ezen flexibilitása miatt számos sokrészecskés kvantumrendszer kísérleti modellezésére alkalmasak, és újfajta nézőpontot biztosítanak mind szilárdtestfizikai, részecskefizikai és kozmológiai modellekhez. Azonban ugyanekkora jelentőségű, hogy az ultrahideg gázok rengeteg, addig soha meg nem figyelt fizikai jelenség forrásai voltak. Ebben a dolgozatban a többkomponensű ultrahideg gázok három különböző aspektusát tárgyalom térelméleti módszerekkel és numerikus szimulációkat használva: vizsgálom mind a gázok kölcsönhatását, mind azt, hogy a kölcsönhatás hogy hozhat létre egzotikus anyagi fázisokat és egészen újfajta gerjesztéseket. A dolgozat első részében megvizsgálom, hogy egy alacsony dimenziós kvantumgázban hogyan változik meg, és hogyan hangolható az atomi kölcsönhatás. Ezután feltárom az egzotikus szupravezető fázisokkal rendelkező gyengén kölcsönható háromkomponensű Fermi-gáz gazdag fázisdiagramját. Végül pedig azzal foglalkozom, hogy az atomok erős kölcsönhatása hogyan használható fel arra, hogy létrehozzunk és stabilizáljunk egy újfajta topologikus gerjesztést, egy ún. Mott skyrmiont.

Célkitűzések A dolgozat első részében azt vizsgálom, hogy hogyan módosul egy kétrétegű geometriába szorított kétkomponensű gáz kölcsönhatása a bezáró potenciál hatására. Vizsgálatom célja, hogy újfajta kísérleti módszert javasoljak a kölcsönhatás hangolására ezekben a többkomponensű kétdimenziós rendszerekben. A kétrészecskés szórási problémát egzaktul megoldva megmutatom, hogy a bezáró potenciál kölcsönhatási rezonanciákhoz vezet, amik újfajta molekuláris állapotok megjelenésével vannak kapcsolatban. Rámutatok, hogy ezek a rezonanciák érzékenyen hangolhatók a rétegek távolságának változtatásával, és, meglepő módon, a két atomi komponens erősen kölcsönhatóvá tehető azáltal, hogy a rétegeket eltávolítjuk egymástól. Megmutatom azt is, hogy a rétegek távolságának növelésével a kvázi-kötött (instabil) molekuláris állapotok élettartama jelentősen megnő, ami lehetővé teszi, hogy rázásos spektroszkópiai módszerekkel először detektálják ezeket az állapotokat. A rendszer abszorpciós spektrumát térelméleti számításokkal meghatározva azonosítom a molekuláris állapotoknak megfelelő csúcsokat. A dolgozat második részében egy gyengén kölcsönható háromkomponensű, SU(3) kölcsönhatási szimmetriával rendelkező Fermi-gáz szupravezető fázisdiagramját vizsgálom, gyenge csatolás esetén. Ez a rendszer számos különleges jellemzővel rendelkezik, többek között a szupravezető és mágneses rendeződés közötti csatolással, ami kétkomponensű rendszerek esetén szimmetria okokból tiltott. Célom, hogy feltérképezzem a rendszer teljes fázisdiagramját a hőmérséklet és a kémiai potenciálok függvényében, amihez egy önkonzisztens mozgásegyenlet-módszert és egy gaussi variációs módszert használok. Ezek a szupravezető és a mágneses rendeződést egyenrangúan képesek figyelembe venni, szemben a korábbi elméleti megközelítésekkel. Megmutatom, hogy az ultrahideg atomi gázokra jellemző nemkonvencionális szupravezető-normál átmenet elsőrendűvé válik alacsony hőmérsékleten, és hatására speciális, O(2,2) szimmetriájú kritikus pontok jelennek meg a fázisdiagramon. Egyszerű energia- és szimmetriaérvekkel elemzem az összetett fázisdiagram struktúráját, végül pedig megmutatom, hogy a szabadenergia Ginzburg Landau-sorfejtésének mely tagjai felelősek a fázisdiagram diszkrét forgási szimmetriájáért, és numerikusan meghatározom az együtthatóikat. A dolgozat utolsó részében megmutatom, hogy miképpen lehet egy ultrahideg atomi gáz erős kölcsönhatását kihasználva létrehozni és stabilizálni egy újfajta topologikus gerjesztést, egy Mott skyrmiont, továbbá analizálom a skyrmion kísérleti jeleit. Hasonló stabil, két vagy három dimenziós topologikus gerjesztéseket eddig még nem sikerült ultrahideg atomi környezetben megfigyelni, ezen rendszerek egy általános instabilitási problémája miatt. Az itt bemutatott kísérleti javaslatban azt használom ki, hogy egy 1-es spinű nematikus szuperfolyadék egy mély optikai rácson Mott-szigetelő állapotot hozhat létre a csapa közepén, amit a szuperfolyadék héja vesz körbe. Ezen a kompakt héjon természetes módon megvalósítható egy skyrmion állapot, aminek extrém stabilitását numerikusan igazolom. Ezek után két javaslatot teszek a skyrmion kísérleti megvalósítására, és numerikusan modellezem annak kísérleti jeleit a rendszer csapdabeli abszorpciós képében és ún. time-of-flight képében. Végül pedig analitikus számításokkal megmutatom, hogy a skyrmion topologikus csavarodása jelentősen módosítja a szuperfolyadék gerjesztési spektrumát. Ennek hatására a skyrmion egyértelműen detektálhatóvá válik modulációs spektroszkópiával.

Új tudományos eredmények 1. A transzverz harmonikus oszcillátor módusokat végtelen rendig felösszegezve megoldottam egy kétrétegű, kétdimenziós struktúrába szorított kétkomponensű ultrahideg gáz szórási problémáját, és megmutattam, hogy a bezáró potenciál hatására számos kötött és kvázi-kötött molekuláris állapot jön létre a rétegek között. Ezen állapotok hatására az atom-atom kölcsönhatásban erőteljes rezonanciák figyelhetők meg, amik a rétegek távolságának változtatásával hangolhatók is. Így, meglepő módon, a gáz erősen kölcsönhatóvá tehető azáltal, hogy a rétegeket eltávolítjuk egymástól [T1]. 2. Megmutattam, hogy a rétegek közötti óriás molekuláris állapotok élettartama jelentősen megnövekszik a rétegek távolságának növelésével, így ezek az állapotok megfigyelhetőekké válnak ún. rázásos spektroszkópiával. Egy híg Bose-gáz esetére meghatároztam a rendszer modulációs spektrumát buborékdiagram-közelítésben, és azonosítottam a molekuláris állapotoknak megfelelő gerjesztési csúcsokat. Ehhez a gáz kölcsönhatási vertexét és sajátenergiáját létradiagramokat végtelen rendig felösszegezve számítottam ki [T1]. 3. Feltérképeztem egy gyengén kölcsönható három-komponensű fermionikus gáz teljes szupravezető (SC) fázisdiagramját a hőmérséklet és a kémiai potenciálok függvényében, vonzó SU(3) szimmetrikus kölcsönhatás mellett. A fázisdiagram számos első és másodrendű SC-normál valamint elsőrendű SC-SC átmenetet tartalmaz, továbbá egzotikus O(2,2) szimmetriájú trikritikus vonalakat. A fázisdiagram meghatározásához egy önkonzisztens mozgásegyenlet-módszert és egy gaussi variációs módszert konstruáltam, amelyek segítségével le tudtam írni a szupravezető és mágneses rend kölcsönhatását a kétféle rendeződést egyenrangúan kezelve, szemben a korábbi elméleti megközelítésekkel [T2]. 4. Szimmetriaérvekkel megmutattam, hogy a kölcsönhatás SU(3) szimmetriájából hogyan következik a fázisdiagram hatfogású forgási szimmetriája részecske-lyuk szimmetrikus esetben, ami részecske-lyuk szimmetriasértés esetén háromfogású szimmetriára csökken. Továbbá a szabadenergia Ginzburg Landau-sorfejtésében azonosítottam azokat a tagokat, amelyek a fázisdiagram alacsony kémiai potenciál aszimmetriákkal jellemzett részének struktúrájáért felelősek, és numerikusan meghatároztam az együtthatóikat. Ezek a tagok szupravezető és mágneses rendeződés (és a kémiai potenciálok) csatolását írják le, és kétkomponensű rendszerek esetén szimmetria okokból első rendben tiltottak [T2]. 5. Javaslatot tettem arra, hogy csapdázott ultrahideg atomok erős kölcsönhatását kihasználva hogyan stabilizálható egy nematikus szuperfolyadékban létrehozott skyrmion topologikus gerjesztés, optikai rács segítségével. A rendszer viselkedését a Bose Hubbard-modellben vizsgáltam, és egy Hubbard Stratonovich-transzformáció segítségével megalkottam a gáz szabadenergia-funkcionálját. Ennek numerikus minimalizálásával megmutattam, hogy az optikai csapda közepén létrejövő Mottszigetelő mag körüli szuperfolyadék héjban stabil skyrmion gerjesztés hozható létre [T3].

6. Numerikusan meghatároztam a skyrmion szuperfolyadék- és részecskesűrűségstruktúráját, és megmutattam, hogy ezek hogyan jelennek meg a rendszer csapdabeli és úgynevezett time-of-flight abszorpciós képében. Emellett két kísérleti módszert javasoltam a skyrmion létrehozására [T3]. 7. Megalkottam egy kétdimenziós effektív elméletet a szuperfolyadék-fluktuációk leírására, és megmutattam, hogy a skyrmion topologikus struktúrája jelentősen befolyásolja a gerjesztési spektrumot. Mind az energiaszintek, mind azok degenerációja jelentősen megváltozik a modellben megjelenő topologikus tagok hatására, amik összekapcsolják a spin- és sűrűség/fázisfluktuációkat, és elnyomják a szuperfolyadék sűrűségét. Megmutattam továbbá, hogy egy rácsmodulációs kísérletben egy alacsony energiás csúcs jelenik meg a skyrmion spin gerjesztési spektrumában a topologikus tagoknak köszönhetően, ami egyértelmű jele a skyrmion jelenlétének [T3].

Publikációk [T1] M. Kanász-Nagy, E. A. Demler and G. Zaránd, Theory of confinement-induced interlayer molecular resonances, arxiv:1401.5798 (2014). [T2] M. Kanász-Nagy and G. Zaránd, Global superfluid phase diagram of a three-component fermion mixture with magnetic ordering, Phys. Rev. B 86, 064519 (2012). [T3] M. Kanász-Nagy, B. Dóra, E. A. Demler and G. Zaránd, Stabilizing the false vacuum: Mott skyrmions, Sci. Rep. 5, 7692 (2015).