Projekti / Programi
Načrtovanje večdelčnega transporta
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.02 |
Naravoslovje |
Fizika |
Teoretična fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P190 |
Naravoslovno-matematične vede |
Matematična in splošna teoretična fizika, klasična mehanika, kvantna mehanika, relativnost, gravitacija, statistična fizika, termodinamika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
kvantni transport, večdelčni sistemi, neravnovesna fizika, spinske verige, kvantna fizika, statistična fizika, odprti sistemi
Raziskovalci (7)
Organizacije (1)
Povzetek
Statistična fizika in njena sestra termodinamika je izjemno uspešna teorija, za katero je Einstein nekoč izjavil, da je univerzalna teorija, ki je znotraj njenega območja veljavnosti nikoli ne bo zamenjala nova, ``boljša'' teorija. Veljavnost statistične fizike namreč ne temelji na specifičnih mikroskopskih zakonih, ki jih sčasoma zamenja bolj podroben opis, temveč na univerzalnih lastnostih, ki veljajo za sisteme s velikim številom prostostnih stopenj in za fizikalno relevantne lokalne opazljivke. In ravno ta univerzalnost je lepota, ki jo je cenil tudi Einstein.
Statistično fiziko lahko v grobem razdelimo na ravnovesno in na neravnovesno. Ravnovesna teorija je splošno znana, razvita v drugi polovici 18. stoletja s strani Boltzmanna, Gibbsa, in ne nazadnje tudi s pomembnimi prispevki J. Stefana. Uporabna je tako v čisti fiziki, kot na drugih znanstvenih področjih kot so biologija in kemija, ter tudi kot popolnoma uporabna inženirska veja za npr. potrebe obravnave motorjev (toplotni stroji).
Neravnovesna fizika je na drugi strani precej manj raziskana, posebej v smislu univerzalnih principov, med drugim preprosto zato, ker že po definiciji vsebuje veliko večjo pestrost pojavov -- vse kar ni ravnovesno. Če torej želimo nek enostavni univerzalni opis, se je potrebno omejiti na smiselni podset neravnovesnih pojavov. Kaj je najenostavnejši primer neravnovesne fizike? Mnenja so tukaj seveda deljena, zagotovo pa lahko argumentiramo, da je eden izmed enostavnejših primerov tisti, kjer so zadeve od časa neodvisne. Taki situaciji pravimo neravnovesno stacionarno stanje (NESS -- ang. nonequilibrium steady state). Preprosti primer je žica, ki jo priključimo na vir napetosti. Po začetnem nestacionarnem časovno odvisnem dogajanju se hitro vzpostavi neravnovesno stacionarno stanje, ko skozi žico teče konstantni tok. Studij transporta -- najenostavnejsega neravnovesnega pojava -- je namen predlaganega projekta.
Želimo podrobno razumeti transport v večdelčnih sistemih, kjer so pomembne tako interakcije med delci (korelirani sistemi), kot kvantni koherentni efekti. Preplet teh efektov je zagotovilo za pestro fiziko. Povdarimo lahko, da je nearvnovesna fizika danes na čelu tako teoretičnega zanimanja, kot vrhunskih eksperimentov, ki stremijo k t.i. kvantnim simulatorjem oz. analogni simulaciji zanimivih koreliranih sistemov. Rezultati projekta bodo tako pomembni za več področij, in sicer za neravnovesno fiziko na splošno, transport v močno koreliranih kvantnih sistemih, in ne nazadnje kot znanje, ki bi znalo biti zelo uporabno pri zasnovi naprednih materialov z novimi transportnimi lastnostmi. Ti bi bili zanimivi tako iz inženirskega vidika, kot za razvijajoče se področje kvantne informacijske teorije. Verjetno ni potrebno posebej poudarjati, da je transport ključna lastnost za delovanje mnogih vsakodnevnih naprav (prenos elektrike, naprave na osnovi transport kot so diode, tranzistorji,...).
V projektu bomo raziskali transport v enostavnih nizko-dimenzionalnih večdelčnih sistemih, s poudarkov na 1D modelih. Nekateri nedavni rezultati naše skupine [1] nas navdajajo z optimizmom, da se lotimo še bolj ambicioznega cilja -- spremembe raziskovalne paradigme. Do sedaj so namreč raziskave potekale v smeri študija transporta v različnih modelih, odkoder je težko povleči splošne zaključke. Mi se bomo posvetili vprašanju, kakšni principi vodijo do določenega tipa transporta. Kako lahko dizajniramo sistem, ki bo imel dane želene lastnosti?
Literatura:
[1] M. Znidaric and M. Ljubotina, Interaction instability of localization in quasiperiodicystems, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 115, 4595 (2018).
Pomen za razvoj znanosti
Pričakovani rezultati projekta bodo imeli pomen na več plasteh znanosti in specifičnega področja to je neravnovesne fizike. Transport je ena izmed osnovnih neravnovesnih lastnosti in je kot tak pomemben za teoretično fiziko, zaradi široke uporabe v vsakdanjem življenju pa ima tudi aplikativni pomen. V predlaganem projektu bomo študirali enostavne modele z namenom fundamentalnega razumevanja, kaj privede do določenega tipa transporta (npr., superprevodnost vs. difuzija).
Podrobno se bomo posvetili primerom ne-difuzijskega transporta (med drugim anmalnega), saj lahko le ta privede do zanimivih pojavov. Razumeli bomo, kdaj lahko imamo npr. superdifuzijski transport. Dosedanji rezultati kažejo, da je potrebna integrabilnost in dodatna simetrija (npr. SU(2) ali SU(4)), podrobnosti pa niso razumljene. Študirali bomo tudi transport, ki je počasnejši kot difuzijski. Do tega lahko pride zaradi ne-popolne lokalizacije kot posledice nereda. Tukaj se bomo dotaknili zelo zanimivega področja večdelčne lokalizacije in novih vmesnih faz snovi, ki niso popolnoma termalne. Posebej zanimivi so primeri zelo počasne relaksacije, ali pa popolne odsotnosti le-te za nekatera stanja. Takšne faze so zelo zanimive za kvantno informacijsko teorijo -- hitro razvijajoče se področje, ki ga raziskuje tako akademski kot komercialni sektor -- saj bi lahko bile uporabne za npr. kvantni spomin.
Nameravamo raziskati tudi inženirsko plat pristopa k transportu, kjer bomo zasnovali želeni (anomalni) tip transporta preko npr. dizajniranega nereda. Nedavno smo odkrili, da lahko pri neredu, ki ima prostorske korelacije, pride do zanimivih pojavov, primer je visoka kontrolabilnost transporta -- že majhna sprememba potenciala lahko povroči veliko spremembo transporta.
Vsi omenjeni rezultati anomalno počasnega ali hitrega transporta, kot tudi kontrolabilnosti preko majhnih sprememb, lahko privedejo do novih naprav. Primer bi bil električno ali pa termično usmerjanje (dioda) z visokim ojačanjem. Ta del projekta, vsebovan v WP3, ima močno aplikativno komponento. Če bomo razumeli, kaj privede do velike asimetrije pri usmerjanju, ali visokega faktorja ZT pri termoelektričnosti, bi lahko dizajnirali nove materiale, ki bi nas pripeljali korak bližje k širši uporabnosti termoelektričnega hlajenja, saj bi le-to poslato konkurenčno običajnim hladilnim napravam na osnovi raztezanja hladilne tekočine (za to bi potrebovali snov z okoli 3x večjim ZT).
Tema projekta je zelo zanimiva za več področij, ki so v fokusu današnje fizike. V preteklosti smo že demonstrirali odličnost in velik vpliv naših raziskav (člani projektne skupine so v zadnjih 5 letih objavili 18 člankov v Physical Review Letters, kot tudi v drugih prestižnih revijah kot so Nature Communications, PNAS, Physical Review X, 4 izmed teh člankov pa so označeni kot ``Highly Cited in the Field'' s strani baze WoS), tako da smo prepričani, da bo enako veljalo tudi za izsledke predlaganega projekta.
Pomen za razvoj Slovenije
Expected project results will have an impact on several layers of science and specific field of nonequilibrium physics. Transport is one of fundamental nonequilibrium properties, and is as such of interest in theoretical physics, however, due to its widespread use in everyday life it has also strong applied component. Our project will study simple model systems with the aim of getting fundamental understanding of what determines the transport type (e.g., superconductivity vs. diffusion).
Specifically, we shall explore and focus on non-diffusive transport (among other, anomalous) as it can lead to interesting phenomena and uses. We will understand when can one have a superdiffusive transport. Present results hint that one needs integrabilty as well as an additional symmetry (like SU(2) or SU(4)), details are however not understood. Second, we will also focus on transport that is slower than diffusive. This can arise due to non-fully localizing disorder. Here we touch upon a very interesting field of many-body localization and new phases of matter that do not fully thermalize. Of especial interest are intermediate phases that for instance show very slow relaxation, or total absence thereof for some states. Such phases would be of immense use in quantum information theory -- a rapidly developing field studied in academia and industry -- as they could for instance be used in quantum memory.
We also plan to explore the ``engineering'' approach to transport where we plan to design a required (anomalous) transport by e.g. engineered disorder. Recently we also found that disorder with spatial correlations can lead to very interesting behavior, and in particular to high controllability of transport -- a small perturbation can lead to a big change in transport.
All the above mentioned findings of anomalously fast or slow transport, as well as of controllability by small changes, could lead to interesting new devices. An example would be thermal or electric rectification with very high gain. That aspect, being part of our WP3, has potentially strong applied component. Understanding what can lead to higher rectification factor, or high ZT figure of merit for thermoelectricity, could advance materials science bringing us a step closer to making thermoelectric cooling competitive to ordinary ``gas expansion'' refrigerating techniques (for that we would need about a 3-fold increase in ZT).
Topics studied are of high interest to several fields that are at the forefront of current physics research. We have demonstrated our excellence and high impact in the past and expect that the results of the proposed research will do the same (members of the project team have in the last 5 years published 18 papers in Physical Review Letters as well as in other high-impact journals like Nature Communications, PNAS, Physical Review X, 4 of those papers are highlighted as ``Highly Cited in the Field'' by WoS citation database).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
