[論文レビュー] Phonon-induced disorder in dynamics of optically pumped metals from non-linear electron-phonon coupling

John Sous, B. Kloss+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 56被引用数 44

ひとこと要約

本稿は、二次的電子-格子結合を有する光励起金属における非平衡ダイナミクスを調査し、共鳴格子振動子励起が対称性保護された格子状態占有数保存に起因する有効な不純度を誘発することを示している。その結果、電子の位相整合性の喪失と局所的相関の急激な増大—動的運動量空間相関関数の平坦化と二重占有数の増大として観測される—が生じ、強相関電子-格子定常状態が形成され、一時的超伝導の不在を説明するとともに、非平衡系における動的誘起強い結合の道筋を明らかにする。

ABSTRACT

The non-equilibrium dynamics of matter excited by light may produce electronic phases that do not exist in equilibrium, such as laser-induced high-transition-temperature superconductivity. Here we simulate the dynamics of a metal driven at initial time $t=0$ by a spatially uniform pump that excites dipole-active vibrational modes which couple quadratically to electrons. We study in detail the evolution of electronic and vibrational observables and their coherences. We provide evidence for enhancement of local electronic correlations, including double occupancy, accompanied by rapid loss of spatial structure, which we interpret as a signature of emergent effective disorder in the dynamics. This effective disorder, which arises in absence of quenched randomness, dominates the electronic dynamics as the system evolves towards a correlated electron-phonon long-time state, possibly explaining why transient superconductivity is not observed. The pumped electron-phonon systems studied here, which are governed by non-linear coupling, exhibit a much more substantial dynamical response than linearly coupled models relevant in equilibrium, thus presenting a pathway to new modalities for out-of-equilibrium phases. Our results provide a basis within which to understand correlation dynamics in current pump-probe experiments of vibrationally coupled electrons, highlight the importance of the evolution of phase coherence, and demonstrate that pumped electron-phonon systems provide a means of approximately realizing recently proposed scenarios of dynamically induced disorder in translation-invariant systems.

研究の動機と目的

• ドーピール活性格子振動子を有する電子-格子結合が二次的である非平衡系における金属の非平衡ダイナミクスを理解すること。
• 非線形電子-格子結合がクエンチド不純度なしに有効な電子的不純度をどのように誘導するかを調査すること。
• 初期の共鳴格子振動子状態および保存される格子状態占有数が、有効な局在化と位相整合性の喪失に果たす役割を特定すること。
• 線形（ホールスタイン）モデルと比較して、二次的結合モデルの動的応答が相関増大および二重占有数の観点でどのように異なるかを明らかにすること。
• 振動子結合電子を含むポンプ・プローブ実験を解釈する理論的枠組みを提供し、動的誘起強い結合の兆候を同定すること。

提案手法

• 無限一様次元系の時間発展を、テンソルネットワーク法を用いた無限時間発展ブロック縮約（iTEBD）アルゴリズムでシミュレートする。
• 有限サイズ系（L = 3–6）に対して直接Krylov部分空間法を用い、ねじれ境界条件を導入することで長時間ダイナミクスにアクセスする。
• 二次的電子-格子結合モデルの定性的なダイナミクスを捉える有効ハミルトニアンを導出するために、圧縮基底変換を用いる。
• 制御可能な時間ステップ（dt）と切断誤差（ϵTEBD）を有する4次精度のTrotter化スキームを用いて時間発展を実行し、収束性を保証する。
• 格子ヒルベルト空間次元（dν = 10–14）、結合次元（χ ≤ 5000）、切断誤差（ϵTEBD = 10−3.5）に対して結果の収束を確認する。
• 二重占有数および格子状態数期待値から得られる有効結合定数λHを用いて、二次的モデルと有効ホールスタイン型モデルを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動された非平衡系における二次的電子-格子結合は、どのように有効な不純度の発現を引き起こすか？
• RQ2 保存される格子状態占有数が、電子の位相整合性の抑制および局在化に果たす役割は何か？
• RQ3 相関増大および二重占有数の観点から、二次的結合モデルの動的応答は線形ホールスタインモデルとどのように異なるか？
• RQ4 運動量空間および実空間の観測量において、長時間にわたる強相関電子-格子定常状態の兆候は何か？
• RQ5 初期の共鳴格子振動子状態は、クエンチド不純度なしに、不純度ポテンシャルを模倣する自己平均的電子応答を引き起こす可能性があるか？

主な発見

• 電荷、スピン、対称性相関関数の運動量依存性が急激に平坦化する—すなわち、運動量空間の構造が消失する—ことにより、有効な不純度の発現が示唆される。
• 概ね保存される格子状態占有数を持つ初期の共鳴格子振動子状態は、格子状態セクター全体にわたる電子の自己平均化を引き起こし、非対角的位相整合性を破壊し、局在化を誘発する。
• 二重占有数が二次的モデルで顕著に増加し、線形ホールスタインモデルを上回る値を示しており、強結合状態への遷移を示唆している。
• 密度-密度相関関数がフェルミ速度で定義される光円錐の背後に平坦化し、長時間における空間的ランダム相関を示している。
• 電子-格子結合項の期待値が時間とともに増加しており、強相関長時間定常状態への進化を示している。
• gq = 0.25およびω = π/2の条件下で、有効結合定数λH ≈ 0.1が推定され、中程度の電子-電子相互作用を持つホールスタインモデルと定性的に同等であることが示され、有効理論の妥当性が裏付けられた。