Non-equilibrium quantum many-body physics from a micro-to-macro perspective

Okugawa, Takuya; Meden, Volker; Kennes, Dante Marvin

doi:43072

Non-equilibrium quantum many-body physics from a micro-to-macro perspective

Okugawa, Takuya^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Takuya Okugawa, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kennes, Dante Marvin (Thesis advisor)^RWTH* ; Meden, Volker (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-02367
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/980578/files/980578.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Floquet (frei) ; disorder (frei) ; nonequilibrium (frei) ; quantum transport (frei) ; topological insulators (frei) ; vortex in superconductor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In den letzten Jahren hat die kondensierte Materiephysik erhebliche Aufmerksamkeit darauf gerichtet, Materialeigenschaften auf Abruf zu kontrollieren und neuartige Materialeigenschaften außerhalb des Gleichgewichtszustands zu erreichen. In dieser Dissertation untersuchen wir einzigartige Materialeigenschaften im Zustand außerhalb des Gleichgewichts sowie in einer Transportkonfiguration im linearen Antwortbereich aus mikroskopischer und makroskopischer Perspektive. Im ersten Teil der Dissertation untersuchen wir zwei Projekte aus mikroskopischer Sicht. Das erste Projekt konzentriert sich auf durch Unordnung induzierte topologische Phasenübergänge in zweidimensionalen magnetisch dotierten (Bi, Sb)2 Te3 -Dünnschichten. Um das Verhalten dieser Materialien zu untersuchen, verwenden wir groß angelegte Transportsimulationen, bei denen Unordnung in der zentralen Region verwendet wird, die mit quanten-spin-Hall-Kontakten verbunden ist. Wir untersuchen sowohl unkorrelierte als auch korrelierte Arten von Unordnung und erstellen Phasendiagramme, indem wir nicht nur die durchschnittliche linearer Leitfähigkeit in Anwesenheit von Unordnung berechnen, sondern auch die entsprechenden Standard-abweichungen. Abgesehen von der Stärke der Unordnung hängen diese von Faktoren wie dem magnetischen Austauschfeld, dem Fermi-Niveau und dem anfänglichen topologischen Zustand in den undotierten und sauberen Grenzen der Filme ab. Im zweiten Projekt konzentrieren wir uns auf ein periodisch angetriebenes System, das durch periodisch oszillierende elektrische Felder erzeugt wird. Zunächst untersuchen wir die Wechselwirkungsfreie paramagnetische Suszeptibilität, bei der wir bestimmte Divergenzen identifizieren, die als potenzielle Anzeichen für Phasen mit gebrochener Symmetrie dienen. Anschließend untersuchen wir die Bereiche ferromagnetischer und antiferromagnetischer Phasen unter Verwendung der Floquet-mean-field-Feldgleichungen. Im zweiten Teil der Dissertation verlagern wir unseren Fokus auf das Gebiet der Nichtgleichgewichtsphysikaus makroskopischer Perspektive. Hierzu verwenden wir das phänomenologische zeitabhängige Ginzburg-Landau-Formalismus. Unsere erste Untersuchung konzentriert sich auf den Einfluss von Grenzflächen auf den stationären Vortexfluss, der durch einen angelegten Strom in zweidimensionalen Supraleitern angetrieben wird. In unserer Analyse identifizieren wir drei unterschiedliche Regime: 1) Ein Niedrigstrom-Regime, in dem das Vortex-Gitter sich als Ganzes bewegt. 2) Ein Hochstrom-Regime mit einer "Anti-Poiseuille"-Charakteristik, bei der Vortices in der Nähe der Probengrenzen schneller bewegt werden. 3)Ein Zwischenregime, das durch ein "Stick-Slip"-Verhalten gekennzeichnet ist. Wir interpretieren unsere Ergebnisse durch eine Bardeen-Stephen-Analyse, bei der der reduzierte Ordnungsparameter in der Nähe der Probengrenzen zu einer niedrigeren Viskosität führt, und hinsichtlich des Phasenriss-Linienzustands. Als Nächstes erforschen wir die angetriebene Bewegung von Vortices in zweidimensionalen Corbino-Geometrien in Supraleiter-Normalmetall-Supraleiter-Josephson-Übergängen. Um das Problem der zufälligen Vortex-Nukleation anzugehen, führen wir normalleitende Schienen in die Corbino-Scheibe ein, die den Nukleationsprozess und die anschließende Bewegung der Vortices zum Übergang lenken. Wir untersuchen die Auswirkungen der Wechselwirkungen zwischen den Schienen und Vortices sowie zwischen den Vorticesselbst auf die Quantisierung des Widerstands am Übergang. Darüber hinaus führen wir Simulationen zur Nukleation und Manipulation von sowohl zwei als auch vier Vortices in Corbino-Netzwerken durch. Diese Ergebnisse haben das Potenzial, in Operationen zur Majorana-Zero-Mode-Braid-Anwendung zu finden.

In recent years, there has been huge attention in condensed matter physics towards controlling material properties on demand and achieving novel material properties out of equilibrium. In this thesis, we investigate unique material properties in an out-of-equilibrium state as well as a transport configuration within the linear response regime from both a micro and macro perspective. In the first part of the thesis, we explore two projects from a microscopic perspective. The first project focuses on disorder-induced topological phase transitions in two-dimensional magnetically doped (Bi, Sb)2 Te3 thin films. To examine the behavior of these materials, we employ large-scale transport simulations where disorder is employed in the central region, connected to quantum spin Hall leads. We examine both uncorrelated and correlated types of disorder, and construct phase diagrams by calculating not only the disordered-averaged linear conductance but also the corresponding standard deviations. Besides being influenced by the strength of disorder, they depend on factors like the magnetic exchange field, the Fermi level, and the topological state in the undoped and clean limits of the films. In the second project, we focus on a periodically driven system generated by periodically oscillating electric fields. First, we examine the non-interacting paramagnetic susceptibility, where we identify certain divergences that serve as potential indicators of symmetry-breaking phases. Subsequently, we investigate the realms of ferromagnetic and antiferromagnetic phases by utilizing Floquet mean-field equations. In the second part of the thesis, we shift our focus to the realm of non-equilibrium physics from a macroscopic perspective. To do this, we employ the phenomenological time-dependent Ginzburg-Landau formalism. Our first investigation focuses on the influence of boundaries on the steady-state vortex flow driven by an applied current in two-dimensional superconductors. In our analysis, we identify three distinct regimes: 1)A low-current regime in which the vortex lattice moves as a whole. 2) A high-current regime with an "anti-Poiseuille" characteristic, where vortices near the sample boundaries move faster. 3) An intermediate regime characterized by a "stick-slip" behavior. We interpret our findings through a Bardeen-Stephen analysis, where the reduced order parameter near the sample edges leads to lower viscosity, and in terms of the phase slipline state. Next, we explore the driven motion of vortices in two-dimensional Corbino geometries within superconductor-normal metal-superconductor Josephson junctions. To address the issue of random vortex nucleation, we introduce normal conducting rails to the Corbino disk, which helps guide the nucleation process and the subsequent motion of vortices toward the junction. We explore the implications of interactions between the rails and vortices, as well as interactions between vortices themselves, on the quantization of resistance across the junction. Additionally, we conduct simulations involving the nucleation and manipulation of two and four vortices in Corbino networks, and and discuss its potential application to Majorana zero mode braiding operations.

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