We show that the Anomalous Hall Effect (AHE) observed in Colossal Magnetoresistance Manganites is a manifestation of Berry phase effects caused by carrier hopping in a non-trivial spin background. We determine the magnitude and temperature dependence of the Berry phase contribution to the AHE, finding that it increases rapidly in magnitude as the temperature is raised from zero through the magnetic transition temperature T_c, peaks at a temperature $T_{max} > T_c$ and decays as a power of T, in agreement with experimental data. We suggest that our theory may be relevant to the anomalous hall effect in conventional ferromagnets as well.

We discuss phenomena arising from the combined influence of electron correlation and spin-orbit coupling (SOC), with an emphasis on emergent quantum phases and transitions in heavy transition metal compounds with 4d and 5d elements. A common theme is the influence of spin-orbital entanglement produced by SOC, which influences the electronic and magnetic structure. In the weak-to-intermediate correlation regime, we show how nontrivial band-like topology leads to a plethora of phases related to topological insulators (TIs). We expound these ideas using the example of pyrochlore iridates, showing how many novel phases, such as the Weyl semimetal, axion insulator, topological Mott insulator, and TIs, may arise in this context. In the strong correlation regime, we argue that spin-orbital entanglement fully or partially removes orbital degeneracy, reducing or avoiding the normally ubiquitous Jahn-Teller effect. As we illustrate for the honeycomb-lattice iridates and double perovskites, this leads to enhanced quantum fluctuations of the spin-orbital entangled states and the chance to promote exotic spin liquid and multipolar ordered ground states. Connections to experiments, materials, and future directions are discussed.

We construct a model for interacting electrons with strong spin-orbit coupling in the pyrochlore iridates. We establish the importance of the direct hopping process between the Ir atoms, and use the relative strength of the direct and indirect hopping as a generic tuning parameter to study the correlation effects across the iridates family. We predict quantum phase transitions between conventional and/or topologically nontrivial phases. At weak coupling, we find topological insulator and metallic phases. As one increases the interaction strength, various magnetic orders emerge. The topological Weyl semimetal phase is found to be realized in these different orders, one of them being the all-in/all-out pattern. Our findings establish the possible magnetic ground states for the iridates and suggest the generic presence of the Weyl semimetal phase in correlated magnetic insulators on the pyrochlore lattice. We discuss the implications for existing and future experiments.

The possible existence of topological insulators in cubic pyrochlore iridates ${A}_{2}{\text{Ir}}_{2}{\text{O}}_{7}$ ($A=\text{Y}$ or rare-earth elements) is investigated by taking into account the strong spin-orbit coupling and trigonal crystal-field effect. It is found that the trigonal crystal-field effect, which is always present in real systems, may destabilize the topological insulator proposed for the ideal cubic crystal field, leading to a metallic ground state. Thus the trigonal crystal field is an important control parameter for the metal-insulator changeover. We propose that this could be one of the reasons why distinct low-temperature ground states may arise for the pyrochlore iridates with different $A$-site ions. On the other hand, examining the electron-lattice coupling, we find that softening of the $\mathbf{q}=0$ modes corresponding to trigonal or tetragonal distortions of the Ir pyrochlore lattice leads to the resurrection of the strong topological insulator. Thus, in principle, a finite-temperature transition to a low-temperature topological insulator can occur via structural changes. We also suggest that the application of the external pressure along [111] or its equivalent directions would be the most efficient way of generating strong topological insulators in pyrochlore iridates.

We argue that a class of strongly spin-orbit-coupled materials, including some pyrochlore iridates and the inverted band gap semiconductor HgTe, may be described by a minimal model consisting of the Luttinger Hamiltonian supplemented by Coulomb interactions, a problem studied by Abrikosov and collaborators. It contains twofold degenerate conduction and valence bands touching quadratically at the zone center. Using modern renormalization group methods, we update and extend Abrikosov's classic work and show that interactions induce a quantum critical non-Fermi-liquid phase, stable provided time-reversal and cubic symmetries are maintained. We determine the universal power-law exponents describing various observables in this Luttinger-Abrikosov-Beneslavskii state, which include conductivity, specific heat, nonlinear susceptibility, and the magnetic Gruneisen number. Furthermore, we determine the phase diagram in the presence of cubic and/or time-reversal symmetry breaking perturbations, which includes a topological insulator and Weyl semimetal phases. Many of these phases possess an extraordinarily large anomalous Hall effect, with the Hall conductivity scaling sublinearly with magnetization ${\ensuremath{\sigma}}_{xy}\ensuremath{\sim}{M}^{0.51}$.

We propose a quantum field theory description of the X-cube model of fracton topological order. The field theory is not (and cannot be) a topological quantum field theory (TQFT), since unlike the X-cube model, TQFTs are invariant (i.e. symmetric) under continuous spacetime transformations. However, the theory is instead invariant under a certain subgroup of the conformal group. We describe how braiding statistics and ground state degeneracy are reproduced by the field theory, and how the the X-cube Hamiltonian and field theory can be minimally coupled to matter fields. We also show that even on a manifold with trivial topology, spatial curvature can induce a ground state degeneracy that is stable to arbitrary local perturbations! Our formalism may allow for the description of other fracton field theories, where the only necessary input is an equation of motion for a charge density.

Frustrated quantum magnets not only provide exotic ground states and unusual magnetic structures, but also support unconventional excitations in many cases. Using a physically relevant spin model for a breathing pyrochlore lattice, we discuss the presence of topological linear band crossings of magnons in antiferromagnets. These are the analogs of Weyl fermions in electronic systems, which we dub Weyl magnons. The bulk Weyl magnon implies the presence of chiral magnon surface states forming arcs at finite energy. We argue that such antiferromagnets present a unique example in which Weyl points can be manipulated in situ in the laboratory by applied fields. We discuss their appearance specifically in the breathing pyrochlore lattice, and give some general discussion of conditions to find Weyl magnons and how they may be probed experimentally. Our work may inspire a re-examination of the magnetic excitations in many magnetically ordered systems.

Quantum variational algorithms are one of the most promising applications of near-term quantum computers; however, recent studies have demonstrated that unless the variational quantum circuits are configured in a problem-specific manner, optimization of such circuits will most likely fail. In this paper, we focus on a special family of quantum circuits called the Hamiltonian Variational Ansatz (HVA), which takes inspiration from the quantum approximation optimization algorithm and adiabatic quantum computation. Through the study of its entanglement spectrum and energy gradient statistics, we find that HVA exhibits favorable structural properties such as mild or entirely absent barren plateaus and a restricted state space that eases their optimization in comparison to the well-studied "hardware-efficient ansatz." We also numerically observe that the optimization landscape of HVA becomes almost trap free when the ansatz is over-parameterized. We observe a size-dependent "computational phase transition" as the number of layers in the HVA circuit is increased where the optimization crosses over from a hard to an easy region in terms of the quality of the approximations and speed of convergence to a good solution. In contrast with the analogous transitions observed in the learning of random unitaries which occur at a number of layers that grows exponentially with the number of qubits, our Variational Quantum Eigensolver experiments suggest that the threshold to achieve the over-parameterization phenomenon scales at most polynomially in the number of qubits for the transverse field Ising and XXZ models. Lastly, as a demonstration of its entangling power and effectiveness, we show that HVA can find accurate approximations to the ground states of a modified Haldane-Shastry Hamiltonian on a ring, which has long-range interactions and has a power-law entanglement scaling.

The recent experimental discovery of the zero-field fractional Chern insulator (FCI) in twisted ${\mathrm{MoTe}}_{2}$ moir\'e superlattices has sparked immense interest in this exotic topological quantum state. The FCI has also been observed in previous experiments in magic angle twisted bilayer graphene (TBG) under a finite magnetic field of about 5 Tesla. Generally, the stabilization of FCI requires fine-tuning the topological band to satisfy certain conditions. It would still be helpful to have an intuitive picture to understand the different behaviors in twisted ${\mathrm{MoTe}}_{2}$ and TBG. Here, we compare them through the lens of emergent gauge fields. In TBG, the system can be mapped to two Dirac fermions coupled to emergent gauge fields with opposite signs. In contrast, the twisted ${\mathrm{MoTe}}_{2}$ reduces to a hole with parabolic dispersion coupled to an emergent gauge field. Although the stabilization of FCI generally requires fine-tuning of the band dispersion and its quantum geometry, this contrasting gauge structure provides another perspective on the observed difference: the zero-field FCI is stable in ${\mathrm{MoTe}}_{2}$ but absent in TBG. Based on this understanding, we will explore potential strategies for stabilizing FCI in both moir\'e superlattices.

The triangular lattice Hubbard model at strong coupling, whose effective spin model contains both Heisenberg and ring exchange interactions, exhibits a rich phase diagram as the ratio of the hopping $t$ to on-site Coulomb repulsion $U$ is tuned. This includes a chiral spin liquid (CSL) phase. Nevertheless, this exotic phase remains challenging to realize experimentally because a given material has a fixed value of $t/U$, which is difficult to tune with external stimuli. One approach to address this problem is applying a dc electric field, which renormalizes the exchange interactions as electrons undergo virtual hopping processes; in addition to creating virtual doubly occupied sites, electrons must overcome electric potential energy differences. Performing a small $t/U$ expansion to fourth order, we derive the ring exchange model in the presence of an electric field and find that it not only introduces spatial anisotropy but also tends to enhance the ring exchange term compared to the dominant nearest-neighbor Heisenberg interaction. Thus, increasing the electric field serves as a way to increase the importance of the ring exchange at constant $t/U$. Through density matrix renormalization group calculations, we compute the ground-state phase diagram of the ring exchange model for two different electric field directions. In both cases, we find that the electric field shifts the phase boundary of the CSL towards a smaller ratio of $t/U$. Therefore, the electric field can drive a magnetically ordered state into the CSL. This explicit demonstration opens the door to tuning other quantum spin systems into spin liquid phases via the application of an electric field.