Künstlich entworfene komplexe Randzustände fraktionaler Quanten-Hall-Phasen: Kohärenz, Topologie und Nichtgleichgewicht

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Mirlin
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320540272

Fraktionale Quanten-Hall (FQH)-Systeme eignen sich hervorragend zur Untersuchung der fundamentalen Quantenphänomenen wie Interferenz, Dekohärenz, topologische Quantisierung, Verschränkung, Ladungsfraktionalisierung, fraktionale und nicht-abelsche Statistik. Tiefliegende Anregungen von FQH-Systemen befinden sich am Rand. Besonders reichhaltige Physik zeigen FQH-Ränder mit gegenläufigen Moden. Coulomb-Wechselwirkung und Unordnung am Rand spielen eine herausragende Rolle, was zu einer Modenfraktionalisierung und zum Entstehen neutraler und geladener Moden führt, die sich „stromaufwärts" bzw „stromabwärts" bewegen. Im vorangegangenen Projekt haben wir gezeigt, dass es zwei sehr unterschiedlichen Transportregime gibt: kohärent und inkohärent. Beide Regime zeichnen sind durch eine Trennung von Ladungs- und neutralen Moden, wobei letztere Energie transportieren. Wir haben gezeigt, dass die Transport-Observablen in beiden Regimen die Bulk-Topologie widerspiegeln und dass fast alle vorherigen Experimente im inkohärenten Regime durchgeführt wurden. Unsere Zusammenarbeit mit der WIS-Experimentalgruppe hat es ermöglicht, einen Versuchsaufbau zu entwickeln, der auf einem künstlichen Rand basiert und den von unserer Theorie vorhergesagten Übergang vom kohärenten zum inkohärenten Regime demonstriert hat. Diese neue experimentellen Entdeckungen führen zu vielversprechenden Plattformen für das Engineering und die Steuerung komplexer FQH-Ränder sowie für die Untersuchung ihrer Transporteigenschaften in verschiedenen Regimen. Dies ist eine der Hauptmotivationen für das vorliegende Projekt. Zunächst werden wir teilkohärente Transportregime untersuchen, die durch partielles Gleichgewicht am Rand gekennzeichnet sind. Solche Regime sollen in einem parametrisch breiten Bereich von Parametern im Experiment auftreten. Unsere vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass partiell äquilibrierte Regime zu einer qualitativ neuen topologischen Physik führen. Wir werden Ladungs- und Wärmeleitfähigkeiten, Schrotrauschen und energieaufgelöste Transportspektroskopie analysieren und die Studie auch auf nicht-abelsche Ränder und Geometrien mit Quantenpunktkontakten ausweiten. Zweitens werden wir neuartige künstlich entworfene Phasen am Rand untersuchen, die durch nicht-triviale Renormierungs-Fixpunkte beschrieben werden. Solche Phasen können an konstruierten Rändern entworfen werden, die durch eine Hierarchie von Intermode-Kopplungen gekennzeichnet sind. Schließlich werden wir Quanteninterferenzphänomene von elementaren Anregungen der neuen Phasen am Rand untersuchen, einschließlich Mach-Zehnder, Hanbury-Brown-Twiss und Hong-Ou-Mandel-Interferometrie. Solche Quanteninterferenz von nicht-trivialen Quasiteilchen ist von grundlegender und potentieller technologischer Bedeutung. Die Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen von M.Heiblum (WIS) und A.Das (IISc) durchgeführt, die Halbleiter- bzw Graphenstrukturen erforschen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen