[論文レビュー] Particle-Hole Pair Coherence in Mott Insulator Quench Dynamics

Khan W. Mahmud, Lei Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2014

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、粒子-空孔対からの短距離非対角的相関が引き起こす、急激な格子クエンチ後に発現する新しい崩壊・再発（CR）振動を予測している。クエンチ直後、準運動量分布は $k=0$ とブリユアンゾーンの端（$k=\pi$）で最大占有状態を振動するが、この際可視度が負になる——これは超流動体とは異なり、コherentなダブルョン-ホロン対が原因で、超冷卻原子系で観測可能であり、位相ずれに対しても頑健である。

ABSTRACT

We predict the existence of novel collapse and revival oscillations that are a distinctive signature of the short-range off-diagonal coherence associated with particle-hole pairs in Mott insulator states. Starting with an atomic Mott state in a one-dimensional optical lattice, suddenly raising the lattice depth freezes the particle-hole pairs in place and induces phase oscillations. The peak of the quasi-momentum distribution, revealed through time of flight interference, oscillates between a maximum occupation at zero quasi-momentum (the $Γ$ point) and the edge of the Brillouin zone. We show that the population enhancements at the edge of the Brillouin zone is due to coherent particle-hole pairs, and we find similar effects for fermions and Bose-Fermi mixtures in a lattice. Our results open a new avenue for probing strongly correlated many-body states with short-range phase coherence that goes beyond the familiar collapse and revivals previously observed in the long-range coherent superfluid regime.

研究の動機と目的

• モット絶縁体において、超流動体とは異なる新たな崩壊・再発ダイナミクスを同定・特徴づけること。
• 粒子-空孔対からの短距離位相相関がクエンチ後に準運動量分布に測定可能な振動を引き起こすことを示すこと。
• このダイナミクスが現実の位相ずれやトラップ効果に対しても頑健であり、実験的に容易に観測可能であることを示すこと。
• フェルミ粒子の半フィルイン状態および整数総占有数を持つボーズ＝フェルミ混合系へこの現象を拡張すること。
• 超流動的挙動を超えた強相関量子物質における短距離相関を新たに探査する手法を提供すること。

提案手法

• 粒子-空孔対の位相を凍結し、多体波動関数内の位相進化を引き起こすために、光学格子の深さを急激にクエンチする。
• 最大4サイトの1次元格子に対して、無限時間発展ブロック縮約（i-TEBD）および正確対角化を用いた数値シミュレーション。
• 時間分解準運動量分布 $n_k(t)$ および可視度 $\mathcal{V}(t) = \frac{n_{k=\pi}(t) - n_{k=0}(t)}{n_{k=0}(t) + n_{k=\pi}(t)}$ の分析により、再発と相関の兆候を検出する。
• 深いつまりモット絶縁体領域における数値結果を検証するため、強結合展開（SCE）理論を用いる。
• 有限のクエンチ後トンネル、有効な多体相互作用、調和的トラップを含めた位相ずれ機構をシミュレーションに組み込む。
• ボソン的モット絶縁体、半フィルインのスピンなしフェルミ粒子、総サイト占有数 $n_{\text{tot}}=1$ のボーズ＝フェルミ混合系におけるダイナミクスの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超流動体に特有であるとされる崩壊・再発が、短距離相関を持つモット絶縁体でも発現可能であるか？
• RQ2 粒子-空孔対（ダブルョンとホロン）が準運動量分布の観察される振動をどのように生成するか？
• RQ3 クエンチされたモット絶縁体における可視度 $\mathcal{V}(t)$ はどのように振る舞い、$k=\pi$ の再発を示すように負値をとるか？
• RQ4 位相ずれや調和的トラップといった現実の実験的不確実要因に対しても、この新規なCRダイナミクスは頑健か？
• RQ5 整数フィルインを持つフェルミ粒子系およびボーズ＝フェルミ混合系でも、相関のある粒子-空孔対によって同様のダイナミクスが観測されるか？

主な発見

• クエンチ後、準運動量分布はブリユアンゾーンの端（$k=\pi$）で再発を示し、特定の時刻に $k=\pi$ のピーク占有数が $k=0$ を上回る。
• モット絶縁体領域では可視度 $\mathcal{V}(t)$ が負になり、$n_{k=\pi}(t) > n_{k=0}(t)$ を示す——これは超流動体クエンチでは観測されない特徴である。
• モット絶縁体では可視度が時間に対して正弦的（サイン波的）に振動するが、超流動体クエンチでは指数的減衰を示すのとは対照的である。
• 凝縮分率 $f_c(t)$ は、単粒子密度行列の対称および反対称自然軌道間の振動に起因する、新たなキネクスを示す。
• 有限のクエンチ後トンネル、有効な多体相互作用、調和的トラップが存在するが、モットプラトーが十分に広い限り、この効果は頑健である。
• ボソン、半フィルインのスピンなしフェルミ粒子、総サイト占有数 $n_{\text{tot}}=1$ のボーズ＝フェルミ混合系の全系でこのダイナミクスが観測され、メカニズムの普遍性が示された。