[論文レビュー] Charge density wave breakdown in a heterostructure with electron-phonon coupling

D. J. Jansen, Christian Jooß+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 125被引用数 19

ひとこと要約

本研究は、密度行列密度行列縮約群（DMRG）法と局所基底最適化（LBO）を組み合わせた手法を用いて、電子-格子振動結合を有する一次元ホルスタイン模型における電荷密度波（CDW）の破壊を調査する。線形ポテンシャルがポラロン結合エネルギーと一致する際にCDW秩序が急速に崩壊することを明らかにした。また、占有サイトではコherentなモード、空サイトでは逸脱したモードを示す特徴的な最適格子モードを特定し、電流を流す状態でも最初の最適モードが安定していることを示した。

ABSTRACT

Understanding the influence of vibrational degrees of freedom on transport through a heterostructure poses considerable theoretical and numerical challenges. In this work, we use the density-matrix renormalization group (DMRG) method together with local basis optimization (LBO) to study the half-filled Holstein model in the presence of a linear potential, either isolated or coupled to tight-binding leads. In both cases, we observe a decay of charge-density-wave (CDW) states at a sufficiently strong potential strength. Local basis optimization selects the most important linear combinations of local oscillator states to span the local phonon space. These states are referred to as optimal modes. We show that many of these local optimal modes are needed to capture the dynamics of the decay, that the most significant optimal mode on the initially occupied sites remains well described by a coherent-state typical for small polarons, and that those on the initially empty sites deviate from the coherent-state form. Additionally, we compute the current through the structure in the metallic regime as a function of voltage. For small voltages, we reproduce results for the Luttinger parameters. As the voltage is increased, the effect of larger electron-phonon coupling strengths becomes prominent. Further, the most significant optimal mode remains almost unchanged when going from the ground state to the current-carrying state in the metallic regime.

研究の動機と目的

• 電子-格子振動結合系における外部電圧を印加した非平衡状態におけるCDW状態のダイナミクスを理解すること。
• 振動自由度が量子ヘテロ構造における電荷輸送およびCDW安定性に与える影響を調査すること。
• 相関電子-格子振動系における大きな局所ヒルベルト空間を効率的にシミュレートできるDMRG-LBOフレームワークの構築と応用。
• 金属的状態における電流-電圧特性を計算・分析し、特に電子-格子振動結合の役割を明らかにすること。

提案手法

• CDW形成および破壊を模擬するため、線形ポテンシャルを有する半分満たされた一次元ホルスタイン模型を用いる。
• 基底状態および時間発展計算に密度行列密度行列縮約群（DMRG）法を適用する。
• 局所ヒルベルト空間の大幅な拡大を回避するため、振動子状態の最適線形結合を選択することで、大きな局所格子ヒルベルト空間を切断するための局所基底最適化（LBO）を採用する。
• バイアス下での輸送を模擬するため、相互作用のないタイトバインディングレジスと結合したヘテロ構造として系をモデル化する。
• 時間発展的DMRGとLBOを用いて電流-電圧応答を計算し、非平衡定常状態の効率的シミュレーションを可能にする。
• 低電圧領域において既知のラッティンガー液体パラメータと一致すること、および先行するDMRGおよびKubo形式論の研究とベンチマークすることで結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形ポテンシャルがホルスタイン模型における電荷密度波秩序の破壊をどのように誘発するか？
• RQ2 特に最適モードとして特定された局所格子モードが、CDW崩壊および電流の流れの過程で果たす役割は何か？
• RQ3 電子-格子振動結合が金属的状態における電流-電圧特性にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 最適格子モードが基底状態から電流を流す状態に移行しても、どの程度変化しないか？
• RQ5 LBO手法は、大きな局所ヒルベルト空間を持つ電子-格子振動系のシミュレーションにおいて、計算効率をどのように向上させるか？

主な発見

• 線形ポテンシャルの強さがポラロン結合エネルギーに一致する際にCDW秩序が急速に崩壊し、臨界的破壊閾値を示している。
• 当初占有されていたサイトにおける最も顕著な最適モードは、小ポラロンに特徴的なコherent状態としてよく記述される。
• 当初空であったサイトにおける最適モードはコherent状態の形から逸脱しており、CDWの融解に伴う構造的再編成を示唆している。
• 最初の最適モードは基底状態から電流を流す状態に移行してもほとんど変化せず、輸送下でも主な格子自由度が安定していることを示している。
• 計算された電流-電圧曲線は低電圧領域で既知のラッティンガー液体の挙動を再現しており、手法の正確性が裏付けられた。
• LBOにより格子ヒルベルト空間の効率的切断が可能となり、本質的な物理を損なわずに著しい計算高速化が達成された。