[論文レビュー] Nonequilibrium Quantum Breakdown in a Strongly Correlated Electron System

Takashi Oka, Hideo Aoki|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2008

Quantum and electron transport phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、強い電場下におけるモット絶縁体の誘電破壊が、多体ランダウ・ツェナー遷移に起因することを提案している。非断熱的量子トンネル効果により、二重占有状態（ドゥーブロン）とホールが生成される。主な結果は、実験観測と一致する量子破壊の閾値電場の理論的予測であり、絶縁状態の崩壊率が、測定された導電領域生成率と定量的に一致している。

ABSTRACT

The nonlinear transport properties of the Mott insulator are discussed with focus on the many-body Landau-Zener mechanism. After reviewing basic concepts such as the non-adiabatic geometric phase and the Schwinger mechanism, we study the decay of the insulating groundstate in strong electric fields using the time-dependent density matrix renormalization group. A short comment on the proposed mapping to the quantum walk model is added before discussing the relevance of the theory to experimental results. This article is a draft of a book chapter of the book entitled "Quantum and Semi-classical Percolation & Breakdown" (Lecture Note in Physics, Springer-Verlag), to appear 2008.

研究の動機と目的

• 強い電子相関系における非平衡状態下での誘電破壊のメカニズムを理解すること。
• 強い電場がモット絶縁体に与える非平衡量子遷移を調査し、金属-絶縁体転移を引き起こす仕組みを解明すること。
• 観測された破壊の閾値電場と多体ランダウ・ツェナートンネルの理論的枠組みを結びつけること。
• 理論的絶縁状態の崩壊率と、実験的に測定された導電領域生成率を結びつけること。

提案手法

• 局所的クーロン反発力（U）と hopping（t_hop）を持つ強相関電子系を記述するため、単一バンド Hubbard モデルを用いる。
• 非平衡状態を誘発するため、強い直流電場を適用し、時間に依存する摂動論を用いて系の応答をモデル化する。
• 非断熱遷移理論を用いて、電荷励起（ドゥーブロン-ホール対生成）の多体ランダウ・ツェナー遷移率を計算する。
• ランダウ・ツェナーの公式を用い、モットギャップと有効質量を組み込んで、破壊の閾値電場を導出する。
• 理論的崩壊率 Γ(F) を、Taguchi らの実験的遅延時間と導電領域生成率と比較する。
• DMRG およびハートリー電位計算を用いて、電極付近におけるバンド曲げと局所的平衡効果をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い電場下におけるモット絶縁体の誘電破壊の微視的メカニズムは何か？
• RQ2 多体ランダウ・ツェナートンネルは、カルキウム酸化物系における観測された破壊閾値電場をどのように説明できるか？
• RQ3 実測された導電領域生成率は、理論的絶縁状態の崩壊率とどの程度一致するか？
• RQ4 破壊の閾値電場は、モットギャップおよび U や t_hop などの系パラメータにどのように依存するか？
• RQ5 非平衡量子的破壊は、熱的活性化ではなく、コherentな量子トンネル過程として理解できるか？

主な発見

• モット絶縁体における量子的破壊の閾値電場は約 10^6 eV/cm であると理論的に予測され、実験的測定値と一致する。
• 理論的絶縁状態の崩壊率 Γ(F) は、Sr2CuO3 における実験的観測された導電領域生成率と一致する。
• 崩壊率の電場依存性は、Γ(F) ∼ (F/2π) ln(1−p) の形を取り、ランダウ・ツェナートンネル予測と整合する。
• 実験的遅延時間 τ(F) と導電領域生成率 P(F) が理論的崩壊率に比例することを示し、ランダウ・ツェナー機構を支持する。
• エネルギー空間における量子干渉による動的局在化のおかげで、非平衡安定状態が実現され、さらなる電荷生成が抑制される。
• 理論的および実験的結果から、破壊が熱的活性化ではなく、量子的・コherentなプロセスであることが示され、温度依存性の閾値挙動がその証拠となる。