Modeliranje neravnovesnih kvantnih materialov na različnih skalah
Oznaka in naziv projekta
J1-2455 Modeliranje neravnovesnih kvantnih materialov na različnih skalah
J1-2455 Multi-scale modeling of non-equilibrium quantum materials
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Denis Golež
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Inštitut Jožef Stefan
Sestava projektne skupine: Jernej Mravlje, Dragan Mihailović,Rok Žitko, Peter Prelovšek, Viktor Kabanov, Alexander Osterkorn, Madhumita Sarkar.
Vsebinski opis projekta
Vizija projekta je zagotoviti trden teoretični okvir za opis ultrahitrega odziva materiala ter izboljšati in poenostaviti prenos teoretičnih idej v eksperimentalno skupnost. V zadnjih letih smo razvili zmogljiva orodja, ki temeljijo na numeričnih rešitvah neravnovesne Keldysheve teorije in omogočajo napreden opis odzivov materialov, a se še vedno zanašajo na poenostavitve modelov. Namen tega projekta je potisniti teorijo na raven, kjer se upoštevajo materialno specifične lastnosti močno koreliranih sistemov izven ravnovesja in tako zagotoviti ab-initio teorijo brez parametrov. Opis bomo aplicirali na vprašanje metastabilnosti dihalkogenidov prehodnih kovin in še posebej na vprašanje skrite faze v 1T-TaS2.
Uporaba teh zmogljivih teoretičnih orodij in neposredna primerjava z eksperimentalnimi sondami, kot so časovno ločeni optični poskusi ali tunelska spektroskopija, bodo zagotovili edinstven vpogled v mikroskopsko naravo metastabilne faze. Mikroskopski opis bomo dopolnili s fenomenološkimi pristopi za razumevanje globalnih topoloških lastnosti struktur domenskih sten, kot je kiralno ali amorfno podobno stanje. Sposobnost simulacije materialnih odzivov na elektronskih časovnih lestvicah bo zagotovila ključno vodilo za manipulacijo materialov in njihove aplikacije za ultra hitre vseelektronske pomnilniške naprave s preklopom upora.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza
V času prve faze projekta smo močno presegli te cilje z nepričakovanimi napredki pri razvoju metod. Konkretno smo predlagali in implementirali numeričen algoritem, ki kompresira podatke do te mere, da lahko propagiramo mikroskopske enačbe do časov, ki so vsaj red velikosti daljše kot kar je bilo možno pred projektom [1]. Kot primer omenimo, da račun, ki bi prej vzel 5 mesecev na superračunalniku lahko sedaj opravimo na v manj kot dnevu na prenosniku. Tak napredek je vodil do zapisa referenta [prevedel avtor]: Jaz mislim, da je to preboj v numeričnih metodah za močno korelirane sisteme in bo sprožil analizo problemov, ki smo do sedaj mislili, da jih ne bomo uspeli rešiti. Algoritem smo aplicirali na problem Falicov-Kimball in problem neravnovesne superprevodnosti, kjer smo pokazali povsem nov dinamični pojav - kvantno čivkanje [2].
2. Faza
V tej fazi smo naredili smo dve konkretni študiji, kjer smo začeli iz prvih principov, uporabili metode spuščanja in direktno primerjali z eksperimento [5,7]. Ta študije so pokazale, da znotraj predlaganega protokola lahko dobimo neposredno primerjavo z eksperimenti, le če se omejimo na dvopasovni opis, kajti drugače je kompleksnost algoritma prevelika za primerjavo pri dovolj dolgih časih. V prijavi smo predlagali, da se ta problem reši s paralelizacijo algoritmov, a pomemben nauk tega projekta je v tem, da nam odkritja v prvi omogočajo novo pot, da presežemo tudi te omejitve. Aplikacija razvitega algoritma na večorbitalne probleme je zadnji pomemben korak, kjer smo že opravili prve račune in pričakujemo publikacijo v naslednjih mesecih.
3. Faza
Tukaj smo dosegli največji napredek z analizo dinamike v materialu Ca2RuO4 [5,7], kjer smo pokazali prisotnost nove netermične faze, ki jo vzbudimo s svetlobo. To odkritje je bilo objavljeno v Nature Physics, kar je eden večjih uspehov slovenske fizike v zadnjih letih. Ključen korak je pri teoretičnem razumevanju tega problema je bilo večstopenjsko modeliranje elektronskih in mrežnih prostostnih stopenj, ki nam je omogočala primerjavo z eksperimentalnimi metodami, na primer časovno odvisna difrakcija z rentgenskimi žarki. Prav tako smo naredili aplikacijo na nanostrukture v 1T-TaS2 v sodelovanju s skupino Dragana Mihailovica in pokazali občutljivost kvantnih stanj na konfiguracijo naboja [13]. Tukaj naj še omenimo čisto teoretično študijo, kjer smo pokazali metastabilno stanje po vzbuditvi sistema z močno nelinearno sklopitvijo z mrežnimi vzbuditvami, ki je bila objavljena v Physical Review Letter [11].
Bibliografske reference
[1] J. Kaye and D. Golež, SciPost Phys. 10, 091 (2021). COBISS.SI-ID 71215875
- [2] T. Blommel, J. Kaye, Y. Murakami, E. Gull, D. Golež, arXiv:2403.01589 [TODO Cobiss]
- [3] H. Bretscher, ..., Denis Golež, ... Science advances, Vol. 7, no. 28, str. eabd6147-1-eabd6147-8 (2021) COBISS.SI-ID 71255555
- [4] T Kaneko, Z Sun, Y Murakami, D Golež, AJ Millis, Physical Review Letters 127 (12), 127402 (2021) COBISS.SI-ID 77824771
- [5] D. Golež, ... , Physical Review. B. 106 (12), L121106-1-L121106-6 (2021) COBISS.SI-ID 136206851
- [6] D. Golež, ... Phys. Rev. Lett. 125, 257601 (2020) COBISS.SI-ID 46028803
- [7] S. Tanusree, D. Golež, PRB 103, 14 (2021) COBISS.SI-ID 71246339
- [8] Nikolaj Bittner, Denis Golež, Michele Casula, and Philipp Werner, Phys. Rev. B 104, 115138 (2021) COBISS.SI-ID 77829891
- [9] R. A.Vitalone, ..., D. Golež, ... Nano letters 22 (14), 5689-5697. COBISS.SI-ID 136203779
- [10] A. Verma, D. Golež, Nature Physics 11 str. COBISS.SI-ID 187533571
- [11] K. Kovač, D. Golež, Phys. Rev. Lett. 132, 106001 (2024) COBISS.SI-ID 188007683
- [12] D. Golez, Z. Sun, Nature 598, 7882, 571-572 (2021) COBISS.SI-ID 90617091
- [13] J. Ravnik, ..., D. Golež, ... Nature communications 12, 1, 3793-1-3793-8 (2021) COBISS.SI-ID 69789955
- [14] Povabljeno predavanje: Compressing quantum dynamics : invited lecture at the workshop Harnessing Light-Matter Interactions in Quantum Materials, Center for Computational Quantum Physics, New York, 8-11 August 2022. [COBISS.SI-ID 136259587]
[15] Povabljeno predavanje: Characterizing microscopic interactions via photo-induced lifetime changes. V: New trends in Nonequilibrium Many-Body Systems: Methods and Concepts : International Workshop : 1-5 August 2022. Dresden: Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems, 2022. https://www.pks.mpg.de/neqmbs22/scientific-program. [COBISS.SI-ID 136256259]
- [16] Povabljeno predavanje: Compressing quantum dynamics : invited talk at Condensed Matter Theory Seminar, Institute for Theoretical Physics, University of Cologne, Köln, Germany, 8 Dec 2022. [COBISS.SI-ID 136293123]
[17] Predavanje: GOLEŽ, Denis. Characterizing microscopic interactions via photo-induced lifetime changes : talk at the 13th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity & High Temperature Superconductors, M2S-2022, Vancouver, Canada, July 17-22, 2022. [COBISS.SI-ID 136275203]