[論文レビュー] Cooling by photo-doping $--$ Light-induced symmetry breaking in the Hubbard model

Philipp Werner, Martin Eckstein+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 37被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、光ドーピングを介した光誘発冷却メカニズムをハッブルモデルに提案し、ドーピングされたモット絶縁体から満たされた狭帯域へ空孔が移動することで、等エントロピー冷却が可能になる。非平衡動的平均場理論を用いて、チープドレーザーパルスが系をネール温度未満まで冷却し、臨界温度を超えた状態から反強磁性秩序を誘発することを示した。

ABSTRACT

An elusive goal in the field of driven quantum matter is the induction of long-range order. Here, we demonstrate a mechanism based on light-induced evaporative cooling of holes in a correlated electron system. Since the entropy of a filled narrow band grows rapidly with hole doping, the isentropic transfer of holes from a doped Mott insulator to such a band results in a drop of temperature. Strongly correlated Fermi liquids and symmetry-broken states could thus be produced by dipolar excitations. Using nonequilibrium dynamical mean field theory, we show that suitably designed chirped pulses allow to realize this cooling effect. In particular, we demonstrate the emergence of antiferromagnetic order in a system which is initially in a weakly correlated state above the maximum Néel temperature. Our work suggests a general strategy for inducing strong correlation phenomena and electronic orders in light-driven materials or periodically modulated atomic gases in optical lattice potentials.

研究の動機と目的

• 熱化や加熱効果が存在しない状況において、駆動される量子物質に長距離電子秩序を誘発する課題に対処すること。
• 光ドーピングが、空孔のエントロピーを満たされた帯域へ移動させることで、強く相関する系において有効な冷却を可能にするかを調査すること。
• 制御された光学励起によって、初期にネール温度を超える状態にあった系において、反強磁性のような対称性破れ状態が出現するかを示すこと。
• 等エントロピー冷却と電子秩序を実現するための現実的なプロトコルとして、チープドパルスを用いること。

提案手法

• 非摂動的NCA+DMFTソルバを用いた非平衡動的平均場理論（DMFT）を用いて、駆動系をシミュレート。
• 系をドーピングされたハッブル帯（「系」）と、完全に満たされた狭帯域（「コア」）との間で、電気双極子的で周期的なトンネルを介して結合させたモデルを採用。
• 時間依存の混合関数 $ v_{\text{system-core}}(t) = a(t)f(t-t_p) $ を適用し、$ a(t) = a_{\text{max}} \sin(\Omega t) $ として、レーザー誘発遷移を模擬。
• 駆動周波数 $ \Omega $ を、帯域間の化学ポテンシャル差の変化に追従するように、線形にチープドパルスで動的に調整。
• レトログレッションおよび下位グリーン関数を用いて、時間依存のスペクトル関数と占有分布を計算し、分布関数と冷却を追跡。
• 自己無撞撃ループ内でスピン反転混合を導入した二準位格子DMFTアプローチを用いて反強磁性秩序を実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光ドーピングによって、空孔のエントロピーを満たされた帯域へ移動させることで、強く相関する電子系において有効な冷却が可能になるか？
• RQ2 初期にネール温度を超える状態にあった系が、光誘発空孔蒸発によってその温度未満まで冷却可能か？
• RQ3 チープドレーザーパルスによって駆動される非平衡状態で反強磁性秩序が達成可能か？
• RQ4 駆動プロトコルの選択（例えば、周波数一定対、チープド）が冷却効率および秩序の出現に与える影響は？
• RQ5 コア帯域のバンド幅および初期化学ポテンシャルが、等エントロピー冷却を可能にする役割は？

主な発見

• 線形にチープドされたレーザーパルスにより、ハッブル帯からコア帯への効率的な空孔移動が実現され、有効温度が顕著に低下した。
• 系は、初期にネール温度を超えて準備されていたにもかかわらず、その温度未満まで冷却され、反強磁性秩序の出現が示された。
• 冷却メカニズムは等エントロピー移動に依存する：満たされた狭帯域では空孔当たりのエントロピーが高いため、空孔の放出により系のエントロピーと温度が低下する。
• 時間依存の分布関数は、冷たいフェルミ的分布へと進化し、非平衡駆動下でも有効な冷却が実現していることを示した。
• シミュレーションでは、光学的透過率とスペクトル関数が、冷たい、よりコherentlyな状態へと進化し、反強磁性相関が強化された。
• コア帯域幅が0.4、駆動パルス持続時間がホッピングの単位で約30～120であり、実際のパラメータでもプロトコルが有効であることが示された。特に二重占有が最小限に抑えられた。