Kvantni pojavi lahkih delcev snovi
Oznaka in naziv projekta
N1-0356 Kvantni pojavi lahkih delcev snovi
N1-0356 Quantum effects of light particles in materials
Logotipi ARIS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: doc. dr. Matjaž Gomilšek
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
- Institut "Jožef Stefan", Jamova c. 39, SI-1000 Ljubljana
- Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, Jadranska u. 19, SI-1000 Ljubljana
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
- prof. dr. Andrej Zorko
- doc. dr. Matej Pregelj
Vsebinski opis projekta
Eden osrednjih problemov v fiziki kondenzirane snovi je doseganje ab initio razumevanja lastnosti in kolektivnih pojavov v materialih. Ker so materiali sestavljeni iz atomov, torej elektronov in jeder, in ker so osnovne ab initio enačbe kvantnomehanske, je potreben kvanten opis interagirajočih elektronov in jeder. Tukaj se je pri opisu kolektivnih lastnosti elektronov za zelo uporabno izkazala teorija gostotnih funkcionalov (density functional theory, DFT) in njene razširitve. Po drugi strani pa se večina ab initio opisov snovi še zmeraj zanaša na klasičen opis jeder kot točkastih delcev. V mnogih modernih ab initio izračunih se tako zanemarjeni kvantni pojavi jeder izkažejo za enega večjih virov neskladja med numeričnimi izračuni in eksperimentalnimi rezultati.
Glavni kvantni pojavi jeder, ki so pogosto neutemeljeno zanemarjeni v ab initio izračunih so: kvantna nedoločenost njihovi položajev, kvantno tuneliranje in kvantna prepletenost. Ti pojavi so odgovorni za stabilizacijo eksotičnih faz vodnega ledu (led VII, kjer protoni ves čas tunelirajo med dvema možnima položajema) in kovinskega litija, spremembe temperatur prehoda v hidridnih superprevodnikih in energij solvatacije Li in F ionov ter so ključnih v materialih za shranjevanje vodika.
Pojavi so še bolj ekstremni, če v material vnesemo lahke delce. Glavni med temi so mioni, ki se uporabljajo v eksperimentalni tehniki mionske spektroskopije (μSR) kot edinstveno občutljive lokalne sonde magnetizma materiala. Specifično, mioni so ~9× lažji od vodika in njihova nizka masa znatno ojača moč njihovih kvantnih pojavov. Kljub temu pa so v ab initio opisi običajno še zmeraj obravnavani kot klasični točkasti delci — tako kot jedra. To je pogosto velik vir nejasnosti v interpretaciji eksperimentov μSR, saj je mesto ustavljanja miona v kristalni mreži in njegove kvantne fluktuacije okrog tega mesta (njegovo gibanje ničelne točke, ZPM) ključni teoretični prispevki potrebni za zanesljivo in kvantitativno interpretacijo eksperimentalnih podatkov μSR. Zanemarjanje teh lahko vodi do napačnih napovedi pri nekaterih od najbolj intenzivno proučevanih sistemov v fiziki kondenzirane snovi, kar vključuje superprevodnike z visoko temperaturo prehoda, topološke magnete in kvantne spinske tekočine (neurejena, dinamična, a daljnosežno kvantno prepletena magnetna stanja), kjer je μSR nepogrešljiva zaradi njene občutljivosti na zelo majhna notranja polja v širokem in edinstvenem frekvenčnem oknu (~100 kHz do ~1 THz).
Razlog, da se kvantne pojave mionov in (še posebej lahkih) jeder (skupno, lahkih delcev) pogosto zanemari je, da lahko lahki delci izkazujejo širok razpon kvantnega obnašanja, ki ga je težko zajeti s približki zaradi a priori nejasnosti okrog tega kateri približek je veljaven, a ki ga je pogosto kljub temu neizvedljivo simulirati v celoti z bolj splošnimi metodami (predvsem, molekularno dinamiko potkovnih integralov — path-integral molecular dynamics, PIMD) zaradi visoke računske zahtevnosti teh metod.
V predlaganem projektu bomo celovito naslovili problem kvantnih pojavov lahkih delcev v treh korakih. Najprej se bomo lotili primera enega lahkega delca (miona ali jedra) v mreži težjih jeder, kjer bomo uvedli mrežo opazljivo, prič prepletenosti (entanglement witnesses), in poenostavljenih modelov, ki se jih zlahka oceni v naprej, in ki lahko služijo kot osnova za izbiro optimalnega približka, ki ustreza specifičnemu kvantnemu ZPM režimu v materialu. Nato bomo posplošili te metode na majhne skupke lahkih delcev. Razvita teorija bomo dopolnili z eksperimenti μSR. Na koncu bomo tudi izboljšali natančnost in računsko kompleksnost splošne PIMD metode, tako da bomo izrabili pogosto skorajšnjo harmoničnost efektivnih potencialov lahkih delcev. Skupno bo projekt predstavljal znaten napredek proti praktičnim ab initio simulacijam materialov z kvantnimi mioni in jedri.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza: Kvantni pojavi posameznega lahkega delca
- Naloga 1.1: Razvoj polne teorije
- Naloga 1.2: Proučevanje reprezentativnih režimov gibanje ničelne točke (ZPM) in izvedba komplementarnih eksperimentov
2. Faza: Več delcev
- Naloga 2.1: Razvoj teorije za majhne skupke
- Naloga 2.2: Proučevanje sistemov trdne snovi in preverjanje teorije z eksperimenti
3. Faza: Ekstremno gibanje ničelne točke (ZPM)
- Naloga 3.1: Razvoj harmonsko-eksaktnega PIMD
Bibliografske reference
A. Hromov et al., Incommensurate magnetic order arising from frustrated interchain interactions in the spin-1/2 chain compound AgCuVO4, Phys. Rev. B 112, 134433 (2025). COBISS.SI-ID 254515459. Povezava na članek.
S. H. Moody et al., Local Dzyaloshinskii-Moriya Interactions Driving Quasi-2D Magnetism in a Centrosymmetric Nanoskyrmion Material, Phys. Rev. Lett. 135, 076706 (2025). COBISS.SI-ID 245941251. Povezava na članek.
B. M. Huddart et al., Field-orientation-dependent magnetic phases in GdRu2Si2 probed with muon-spin spectroscopy, Phys. Rev. B 111, 054440 (2025). COBISS.SI-ID 225295107. Povezava na članek.
M. Gomilšek et al., Anisotropic Skyrmion and Multi-q Spin Dynamics in Centrosymmetric Gd2PdSi3, Phys. Rev. Lett. 134, 046702 (2025). COBISS.SI-ID 227766531. Povezava na članek.
J. Kathua et al., Magnetism and field-induced effects in the S=5/2 honeycomb lattice antiferromagnet FeP3SiO11, Phys. Rev. B 110, 184402 (2024). COBISS.SI-ID 215681539. Povezava na članek.