Lokalna proba i mezoskopska dinamika u novim fazama jako koreliranih elektronskih sustava

Local Probe and Mesoscopic Dynamics of New Phases in Strongly Correlated Electron Systems

Istraživanja snažno koreliranih elektronskih sustava (SCES) privlače sve veću znanstvenu zajednicu, ne samo zbog velikog potencijala za nove tehnološke primjene, već i kao gotovo nepromjenjiv izvor novih osnovnih pojava i teorijskih koncepata. Svojstva takvih sustava mogu se opisati samo uzimajući u obzir kolektivne pojave kojima upravljaju jake i međusobno konkurentne interakcije, što često dovodi do frustracija. Suptilna interakcija interakcija je pak ključni sastojak izvanrednih složenih faznih dijagrama koje prikazuje SCES. Još su zanimljivija područja nestabilnosti daleko od stabilnih faza. Način na koji nova faza izlazi blizu granice faze otkriva skrivena svojstva proučavanog sustava. Izuzetno je važno razumjeti kako se simetrija prekida u samom prijelazu i prepoznati prostor i vremenske skale relevantne za promjene parametra reda unutar prijelaza. Ponekad se između dvije stabilne faze pojavi srednje stanje, iznoseći na vidjelo novu fiziku. Ovaj projekt ima za cilj proučiti neka od ovih novih, uglavnom neistraženih stanja koja nastaju između dobro istraženih stabilnih faza u SCES-u ili kao posljedica neke vrste frustracije. Kako bismo dobili cjelovitu sliku novih stanja materije kombinirat ćemo nekoliko naprednih eksperimentalnih metoda: nuklearnu magnetsku i kvadrupolarnu rezonancu (NMR i NQR) kao atomsku ljestvicu, lokalnu sondu i nelinearnu vodljivost kao mezoskopsku sondu elektroničke fizike. Moći ćemo sustavno proučavati brojne faze i prijelaze u SCES-u, pružiti odgovore na neka trenutno goruća pitanja i značajno unaprijediti svoje znanje o njima. Konkretno, proučit ćemo redoslijed naboja u novim supravodičima, te vrtjeti tekuća i spin nematska stanja u frustriranim kvantnim spinskim sustavima. Projekt će u potpunosti zaposliti novi širokopojasni NMR laboratorij u Zagrebu, ojačati njegovu vidljivost i međunarodnu suradnju te omogućiti završetak tri doktorska rada.

Investigations of strongly correlated electron systems (SCES) attract an ever-growing scientific community, not only because of high potential for new technological applications, but also as a virtually unfailing source of new basic phenomena and theoretical concepts. The properties of such systems can be described only by taking into account collective phenomena governed by strong and competing interactions, often leading to frustrations. The subtle interplay of interactions is, in turn, a key ingredient for extraordinary complex phase diagrams exhibited by SCES. Even more interesting are regions of instabilities away from stable phases. The way a new phase emerges close to a phase boundary reveals hidden properties of the studied system. It is extremely important to understand how symmetry breaks in the transition itself and identify the space and time-scales relevant for the changes of order parameter within the transition. Sometimes an intermediate state emerges between two stable phases, bringing new physics to light. This project aims to study some of these new, mostly unexplored states that emerge between well explored stable phases in SCES, or as a consequence of some kind of frustration. In order to obtain a complete picture of new states of matter we will combine several advanced experimental methods: nuclear magnetic and quadrupolar resonance (NMR and NQR) as an atomic-scale, local probe, and nonlinear conductivity as a mesoscopic probe of electronic physics. We will be able to systematically study the many phases and transitions in SCES, provide answers to some currently burning questions, and significantly advance our knowledge about them. In particular, we will study charge order in novel superconductors, and spin liquid and spin nematic states in frustrated quantum spin systems. The project will fully employ the new broadband NMR laboratory in Zagreb, strengthen its visibility and international collaborations, and enable finishing of three PhD theses.