Parton phenomena in doped quantum magnets and quantum simulators

Homeier, Lukas (2024): Parton phenomena in doped quantum magnets and quantum simulators: from Hubbard models to lattice gauge theories. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Strongly correlated electrons exhibit some of the most exotic behaviors, including the fractionalization of their fundamental constituents -- the electrons -- into smaller components known as partons. The partons can either exists as deconfined particles, as in quantum spin liquids, or become confined into bound states, as in doped antiferromagnetic Mott insulators. In this thesis, we take into account the microscopic internal structure of the parton bound states in doped quantum magnets, which leads us to the picture of an emergent Feshbach resonance -- a concept well-known in particle and atomic physics. For Fermi-Hubbard-type models, we find strong attractive pairing interactions between charge carriers with robust d-wave symmetry, consistent with the phenomenology of cuprate superconductors. This proposed Feshbach pairing mechanism provides a new possible explanation for the long sought pairing glue in high-Tc cuprate compounds. Furthermore, we establish effective parton models for mixed-dimensional bilayer Hubbard models, and we predict remarkably large binding energies in excellent agreement with numerical simulations. In addition, we discuss potential signatures of emergent Feshbach resonances in mixed-dimensional 1D ladders, and their relevance for the recently discovered high-Tc nickelate compounds. To probe the emergent parton phenomena, we propose novel schemes for the analog quantum simulation of doped quantum magnets. In particular, we develop a scheme to realize an antiferromagnetic, bosonic t-J-V-W model in three internal states of cold molecules or Rydberg atoms in optical tweezer arrays. The dipolar origin of the magnetic interactions allows us to explore previously experimentally inaccessible parameter regimes, for which we present preliminary experimental results obtained in Rydberg tweezer arrays. Another common framework to describe parton phenomena are lattice gauge theories (LGTs). Their quantum simulation would not only enable us to directly study low-energy effective theories of strongly correlated electrons, but also topics ranging from particle physics to quantum information. However, achieving large-scale quantum simulations of LGTs with dynamical matter and beyond (1+1)D remains elusive. In this thesis, we focus on top-down approaches to simulate LGTs, where the gauge structure emerges from strong energy penalties. In particular, we theoretically develop a method to stabilize an Abelian \Z2 LGTs with hard-core bosonic matter in (2+1)D, which only requires experimentally feasible two-body Ising interactions. This allows us to propose a realistic analog quantum simulation scheme for the large-scale implementation of Z2 LGTs in Rydberg tweezer arrays. Moreover, we find that antiferromagnetic SU(N) Heisenberg interactions suffice to energetically stabilize non-Abelian gauge constraints. Additionally, we propose experimental schemes to implement U(N) and SU}(N) LGTs (i) with hard-core bosonic matter in ultracold polar molecules or Rydberg tweezers, and (ii) with fermionic matter in ultracold alkaline-earth atoms. The proposed experimental schemes for the quantum simulation of doped quantum magnets and lattice gauge theories in tweezer arrays as well as the development of analytical models for pairing in high-Tc superconductors paves the way to explore parton phenomena in strongly correlated quantum matter from a microscopic perspective.

Abstract

Stark korrelierte Elektronen zeigen einige der exotischsten Verhaltensweisen, unter anderem die Fraktionalisierung der fundamentalen Bausteine -- die Elektronen -- in kleinere sogenannte Partons. Diese Partons können entweder in einem deconfined Zustand vorliegen, wie in Quantenspinflüssigkeiten, oder confined als gebundene Zustände existieren, wie in dotierten antiferromagnetischen Mott Isolatoren. In dieser Dissertation betrachten wir die mikroskopische, innere Struktur von gebundenen Partonzuständen in dotierten Quantenmagneten, was uns zu dem Phänomen einer emergenten Feshbach Resonanz führt -- ein bekanntes Konzept in Teilchen- und Atomphysik. Für Fermi-Hubbard-artige Modelle finden wir starke attraktive Paarwechselwirkungen zwischen Ladungsträgern mit robuster d-Wellen Symmetrie konsistent mit der Phänomenologie von Supraleitung in Cupraten. Der vorgeschlagene Feshbach Paarungsmechanismus ist möglicherweise eine neue Erklärung für den lang ersehnten Paarungskleber in Hochtemperatursupraleitern aus Kupferverbindungen. Darüberhinaus etablieren wir effektive Partonmodelle für gemischt-dimensionale doppelschichtige Hubbardmodelle, für welche wir bemerkenswert hohe Bindungsenergien vorhersagen und exzellente Übereinstimmung mit numerischen Simulationen finden. Zusätzlich diskutieren wir mögliche Signaturen von Feshbach Resonanzen in gemischt-dimensionalen 1D Leitern sowie deren Relevanz für kürzlich entdecke Hochtemperatursupraleiter aus Nickelverbindungen. Um die emergenten Partonphänomene zu testen, schlagen wir neue Schemata für die analoge Quantensimulation von dotieren Quantenmagneten vor. Insbesondere entwickeln wir ein Schema um antiferromagnetische t-J-V-W Modelle in drei internen Zuständen von kalten Molekülen oder Rydberg Atomen in Gittern aus optischen Fallen zu realisieren. Der dipolare Ursprung der magnetischen Wechselwirkung erlaubt uns zuvor experimentell unerreichbare Parameterbereiche zu studieren. Wir präsentieren vorläufige experimentelle Resultate, welche in Rydberg tweezer arrays erzielt wurden. Ein weiterer typischer Rahmen um Partonphänomene zu beschreiben sind Gittereichtheorien. Deren Quantensimulation würde uns nicht nur erlauben die effektiven Niedrigenergie Theorien von stark korrelierten Elektronen zu untersuchen, sondern auch Themen von Teilchenphysik bis hin zu Quanteninformation. Allerdings erweist sich die großskalige Quantensimulation von Gittereichtheorien mit dynamischer Materie und jenseits von (1+1)D als anspruchsvoll. In dieser Dissertation fokussieren wir uns auf top-down Methoden um Gittereichtheorien zu simulieren, wobei die Eichstruktur aus starken energetischen Blockaden hervorgeht. Insbesondere entwickeln wir theoretische Methoden um abelsche Z2 Gittereichtheorien mit hard-core bosonischer Materie in (2+1)D mit experimentell realisierbaren Zweiteilchen Ising Wechselwirkungen zu stabilisieren. Dies erlaubt uns ein realistisches, großskaliges Schema für die analoge Quantensimulation von Z2 Gittereichtheorien in Rydberg tweezer arrays zu entwicklen. Außerdem finden wir, dass antiferromagnetische SU(N) Heisenberg Wechelswirkungen ausreichen um nicht-abelsche Eichstrukturen energetisch zu stabilisieren. Darüberhinaus schlagen wir ein experimentelles Schema für die Implementierung von U(N) and SU(N) Gittereichtheorien (i) mit hard-core bosonischer Materie in ultrakalten polaren Molekülen in optischen Gittern oder Rydberg tweezer arrays sowie (ii) mit fermionischer Materie in ultrakalten Erdalkalimetallen vor. Die vorgeschlagenen experimentellen Schemen für die Quantensimulation von dotierten Quantenmagneten und Gittereichtheorien in optischen Fallen sowie die Entwicklung analytischer Modelle für Paarung in Hochtemperatursupraleiter ebnen den Weg um Partonphänomene in stark korrelierter Quantenmaterie aus einer mikroskopischen Perspektive zu untersuchen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Quantum Simulation, Lattice Gauge Theories, Hubbard model, Cuprate superconductors, Feshbach resonance, Rydberg tweezer arrays, Cold molecules, Strongly-correlated electrons, Pairing mechanism, Doped Quantum Magnet
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 2. Juli 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Grusdt, Fabian