[N]pT ensemble and finite-size-scaling study of the critical isostructural transition in the generalized exponential model of index 4.

First-order transitions of system where both lattice site occupancy and lattice spacing fluctuate, such as cluster crystals, cannot be efficiently studied by traditional simulation methods, which necessarily fix one of these two degrees of freedom. The difficulty, however, can be surmounted by the generalized [N]pT ensemble [J. Chem. Phys. 136, 214106 (2012)]. Here we show that histogram reweighting and the [N]pT ensemble can be used to study an isostructural transition between cluster crystals of different occupancy in the generalized exponential model of index 4 (GEM-4). Extending this scheme to finite-size scaling studies also allows us to accurately determine the critical point parameters and to verify that it belongs to the Ising universality class.

Représentations et fusion des algèbres de Temperley-Lieb originale et diluée

Les algèbres de Temperley-Lieb originales, aussi dites régulières, apparaissent dans de nombreux modèles statistiques sur réseau en deux dimensions: les modèles d'Ising, de Potts, des dimères, celui de Fortuin-Kasteleyn, etc. L'espace d'Hilbert de l'hamiltonien quantique correspondant à chacun de ces modèles est un module pour cette algèbre et la théorie de ses représentations peut être utilisée afin de faciliter la décomposition de l'espace en blocs; la diagonalisation de l'hamiltonien s'en trouve alors grandement simplifiée. L'algèbre de Temperley-Lieb diluée joue un rôle similaire pour des modèles statistiques dilués, par exemple un modèle sur réseau où certains sites peuvent être vides; ses représentations peuvent alors être utilisées pour simplifier l'analyse du modèle comme pour le cas original. Or ceci requiert une connaissance des modules de cette algèbre et de leur structure; un premier article donne une liste complète des modules projectifs indécomposables de l'algèbre diluée et un second les utilise afin de construire une liste complète de tous les modules indécomposables des algèbres originale et diluée. La structure des modules est décrite en termes de facteurs de composition et par leurs groupes d'homomorphismes. Le produit de fusion sur l'algèbre de Temperley-Lieb originale permet de «multiplier» ensemble deux modules sur cette algèbre pour en obtenir un autre. Il a été montré que ce produit pouvait servir dans la diagonalisation d'hamiltoniens et, selon certaines conjectures, il pourrait également être utilisé pour étudier le comportement de modèles sur réseaux dans la limite continue. Un troisième article construit une généralisation du produit de fusion pour les algèbres diluées, puis présente une méthode pour le calculer. Le produit de fusion est alors calculé pour les classes de modules indécomposables les plus communes pour les deux familles, originale et diluée, ce qui vient ajouter à la liste incomplète des produits de fusion déjà calculés par d'autres chercheurs pour la famille originale. Finalement, il s'avère que les algèbres de Temperley-Lieb peuvent être associées à une catégorie monoïdale tressée, dont la structure est compatible avec le produit de fusion décrit ci-dessus. Le quatrième article calcule explicitement ce tressage, d'abord sur la catégorie des algèbres, puis sur la catégorie des modules sur ces algèbres. Il montre également comment ce tressage permet d'obtenir des solutions aux équations de Yang-Baxter, qui peuvent alors être utilisées afin de construire des modèles intégrables sur réseaux.

Random path sampling applied to vector models of magnetism

The recently reported Monte Carlo Random Path Sampling method (RPS) is here improved and its application is expanded to the study of the 2D and 3D Ising and discrete Heisenberg models. The methodology was implemented to allow use in both CPU-based high-performance computing infrastructures (C/MPI) and GPU-based (CUDA) parallel computation, with significant computational performance gains. Convergence is discussed, both in terms of free energy and magnetization dependence on field/temperature. From the calculated magnetization-energy joint density of states, fast calculations of field and temperature dependent thermodynamic properties are performed, including the effects of anisotropy on coercivity, and the magnetocaloric effect. The emergence of first-order magneto-volume transitions in the compressible Ising model is interpreted using the Landau theory of phase transitions. Using metallic Gadolinium as a real-world example, the possibility of using RPS as a tool for computational magnetic materials design is discussed. Experimental magnetic and structural properties of a Gadolinium single crystal are compared to RPS-based calculations using microscopic parameters obtained from Density Functional Theory.

Thermal activation, long-range ordering, and topological frustration of artificial spin ice

Frustrated systems, typically characterized by competing interactions that cannot all be simultaneously satisfied, are ubiquitous in nature and display many rich phenomena and novel physics. Artificial spin ices (ASIs), arrays of lithographically patterned Ising-like single-domain magnetic nanostructures, are highly tunable systems that have proven to be a novel method for studying the effects of frustration and associated properties. The strength and nature of the frustrated interactions between individual magnets are readily tuned by design and the exact microstate of the system can be determined by a variety of characterization techniques. Recently, thermal activation of ASI systems has been demonstrated, introducing the spontaneous reversal of individual magnets and allowing for new explorations of novel phase transitions and phenomena using these systems. In this work, we introduce a new, robust material with favorable magnetic properties for studying thermally active ASI and use it to investigate a variety of ASI geometries. We reproduce previously reported perfect ground-state ordering in the square geometry and present studies of the kagome lattice showing the highest yet degree of ordering observed in this fully frustrated system. We consider theoretical predictions of long-range order in ASI and use both our experimental studies and kinetic Monte Carlo simulations to evaluate these predictions. Next, we introduce controlled topological defects into our square ASI samples and observe a new, extended frustration effect of the system. When we introduce a dislocation into the lattice, we still see large domains of ground-state order, but, in every sample, a domain wall containing higher energy spin arrangements originates from the dislocation, resolving a discontinuity in the ground-state order parameter. Locally, the magnets are unfrustrated, but frustration of the lattice persists due to its topology. We demonstrate the first direct imaging of spin configurations resulting from topological frustration in any system and make predictions on how dislocations could affect properties in numerous materials systems.

A proposal for self-correcting stabilizer quantum memories in 3 dimensions (or slightly less)

We propose a family of local CSS stabilizer codes as possible candidates for self-correcting quantum memories in 3D. The construction is inspired by the classical Ising model on a Sierpinski carpet fractal, which acts as a classical self-correcting memory. Our models are naturally defined on fractal subsets of a 4D hypercubic lattice with Hausdorff dimension less than 3. Though this does not imply that these models can be realized with local interactions in R3, we also discuss this possibility. The X and Z sectors of the code are dual to one another, and we show that there exists a finite temperature phase transition associated with each of these sectors, providing evidence that the system may robustly store quantum information at finite temperature.

Représentations et fusion des algèbres de Temperley-Lieb originale et diluée

Les algèbres de Temperley-Lieb originales, aussi dites régulières, apparaissent dans de nombreux modèles statistiques sur réseau en deux dimensions: les modèles d'Ising, de Potts, des dimères, celui de Fortuin-Kasteleyn, etc. L'espace d'Hilbert de l'hamiltonien quantique correspondant à chacun de ces modèles est un module pour cette algèbre et la théorie de ses représentations peut être utilisée afin de faciliter la décomposition de l'espace en blocs; la diagonalisation de l'hamiltonien s'en trouve alors grandement simplifiée. L'algèbre de Temperley-Lieb diluée joue un rôle similaire pour des modèles statistiques dilués, par exemple un modèle sur réseau où certains sites peuvent être vides; ses représentations peuvent alors être utilisées pour simplifier l'analyse du modèle comme pour le cas original. Or ceci requiert une connaissance des modules de cette algèbre et de leur structure; un premier article donne une liste complète des modules projectifs indécomposables de l'algèbre diluée et un second les utilise afin de construire une liste complète de tous les modules indécomposables des algèbres originale et diluée. La structure des modules est décrite en termes de facteurs de composition et par leurs groupes d'homomorphismes. Le produit de fusion sur l'algèbre de Temperley-Lieb originale permet de «multiplier» ensemble deux modules sur cette algèbre pour en obtenir un autre. Il a été montré que ce produit pouvait servir dans la diagonalisation d'hamiltoniens et, selon certaines conjectures, il pourrait également être utilisé pour étudier le comportement de modèles sur réseaux dans la limite continue. Un troisième article construit une généralisation du produit de fusion pour les algèbres diluées, puis présente une méthode pour le calculer. Le produit de fusion est alors calculé pour les classes de modules indécomposables les plus communes pour les deux familles, originale et diluée, ce qui vient ajouter à la liste incomplète des produits de fusion déjà calculés par d'autres chercheurs pour la famille originale. Finalement, il s'avère que les algèbres de Temperley-Lieb peuvent être associées à une catégorie monoïdale tressée, dont la structure est compatible avec le produit de fusion décrit ci-dessus. Le quatrième article calcule explicitement ce tressage, d'abord sur la catégorie des algèbres, puis sur la catégorie des modules sur ces algèbres. Il montre également comment ce tressage permet d'obtenir des solutions aux équations de Yang-Baxter, qui peuvent alors être utilisées afin de construire des modèles intégrables sur réseaux.

Engineering a Quantum Many-body Hamiltonian with Trapped Ions

While fault-tolerant quantum computation might still be years away, analog quantum simulators offer a way to leverage current quantum technologies to study classically intractable quantum systems. Cutting edge quantum simulators such as those utilizing ultracold atoms are beginning to study physics which surpass what is classically tractable. As the system sizes of these quantum simulators increase, there are also concurrent gains in the complexity and types of Hamiltonians which can be simulated. In this work, I describe advances toward the realization of an adaptable, tunable quantum simulator capable of surpassing classical computation. We simulate long-ranged Ising and XY spin models which can have global arbitrary transverse and longitudinal fields in addition to individual transverse fields using a linear chain of up to 24 Yb+ 171 ions confined in a linear rf Paul trap. Each qubit is encoded in the ground state hyperfine levels of an ion. Spin-spin interactions are engineered by the application of spin-dependent forces from laser fields, coupling spin to motion. Each spin can be read independently using state-dependent fluorescence. The results here add yet more tools to an ever growing quantum simulation toolbox. One of many challenges has been the coherent manipulation of individual qubits. By using a surprisingly large fourth-order Stark shifts in a clock-state qubit, we demonstrate an ability to individually manipulate spins and apply independent Hamiltonian terms, greatly increasing the range of quantum simulations which can be implemented. As quantum systems grow beyond the capability of classical numerics, a constant question is how to verify a quantum simulation. Here, I present measurements which may provide useful metrics for large system sizes and demonstrate them in a system of up to 24 ions during a classically intractable simulation. The observed values are consistent with extremely large entangled states, as much as ~95% of the system entangled. Finally, we use many of these techniques in order to generate a spin Hamiltonian which fails to thermalize during experimental time scales due to a meta-stable state which is often called prethermal. The observed prethermal state is a new form of prethermalization which arises due to long-range interactions and open boundary conditions, even in the thermodynamic limit. This prethermalization is observed in a system of up to 22 spins. We expect that system sizes can be extended up to 30 spins with only minor upgrades to the current apparatus. These results emphasize that as the technology improves, the techniques and tools developed here can potentially be used to perform simulations which will surpass the capability of even the most sophisticated classical techniques, enabling the study of a whole new regime of quantum many-body physics.

Critical behavior in the site-diluted three-dimensional three-state Potts model

We have studied numerically the effect of quenched site dilution on a weak first-order phase transition in three dimensions. We have simulated the site diluted three-states Potts model studying in detail the secondorder region of its phase diagram. We have found that the n exponent is compatible with the one of the three-dimensional diluted Ising model, whereas the h exponent is definitely different.

Approccio meccanico statistico allo studio delle Macchine di Boltzmann Ristrette

La Macchina di Boltzmann Ristretta (RBM) è una rete neurale a due strati utilizzata principalmente nell'apprendimento non supervisionato. La sua capacità nel rappresentare complesse relazioni insite nei dati attraverso distribuzioni di tipo Boltzmann Gibbs la rende un oggetto particolarmente interessante per un approfondimento teoretico in ambito fisico matematico. In questa tesi vengono presentati due ambiti di applicazione della meccanica statistica all'apprendimento automatico. 1) La similarità della RBM a unità binarie con il modello di Ising permette di sfruttare un'espansione alle alte temperature per approssimare l'energia libera, termine presente nel gradiente della likelihoood e difficile da trattare numericamente. I risultati ottenuti con questa tecnica sul dataset MNIST sono paragonabili a quelli ottenuti dalla Contrastive Divergence, che utilizza invece metodi di Monte Carlo. 2) L'equivalenza statistica della variante ibrida di RBM con il modello di Hopfield permette di studiare la taglia del training set necessaria per l'apprendimento attraverso l'analisi del problema inverso, in cui i ruoli di spin e pattern sono invertiti. Viene quindi presentato un metodo basato sulla teoria di Gauge che permette di derivare il diagramma di fase del modello di Hopfield duale sulla linea di Nishimori in funzione della temperatura e del rapporto tra numero di campioni e dimensione del sistema.

Diagnosing criticality in symmetric and chiral clock models

Quantum clock models are statistical mechanical spin models which may be regarded as a sort of bridge between the one-dimensional quantum Ising model and the one-dimensional quantum XY model. This thesis aims to provide an exhaustive review of these models using both analytical and numerical techniques. We present some important duality transformations which allow us to recast clock models into different forms, involving for example parafermions and lattice gauge theories. Thus, the notion of topological order enters into the game opening new scenarios for possible applications, like topological quantum computing. The second part of this thesis is devoted to the numerical analysis of clock models. We explore their phase diagram under different setups, with and without chirality, starting with a transverse field and then adding a longitudinal field as well. The most important observables we take into account for diagnosing criticality are the energy gap, the magnetisation, the entanglement entropy and the correlation functions.