[論文レビュー] Universal dynamics of order parameter fluctuations in pump-probe experiments

Pavel E. Dolgirev, Marios H. Michael+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2019

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、対称性が破れた固体におけるポンププローブ実験における普遍的なプリススティル化動的挙動を説明するため、非摂動的効果的モデルを提示する。強力な光励起が長波長横方向モードの過剰励起を引き起こし、その結果、べき乗則に従う緩和と普遍的なスケーリングが生じることを示し、多様な物質において秩序パラメータの回復が遅くなる現象を説明する。

ABSTRACT

Upon excitation by a laser pulse, broken-symmetry phases of a wide variety of solids demonstrate similar order parameter dynamics characterized by a dramatic slowing down of relaxation for stronger pump fluences. Motivated by this recurrent phenomenology, we develop a simple non-perturbative effective model of dynamics of collective bosonic excitations in pump-probe experiments. We find that as the system recovers after photoexcitation, it shows universal prethermalized dynamics manifesting a power-law, as opposed to exponential, relaxation, explaining the slowing down of the recovery process. For strong quenches, long-wavelength over-populated transverse modes dominate the long-time dynamics; their distribution function exhibits universal scaling in time and space, whose universal exponents can be computed analytically. Our model offers a unifying description of order parameter fluctuations in a regime far from equilibrium, and our predictions can be tested with available time-resolved techniques.

研究の動機と目的

• 多様な対称性が破れた固体において観測される秩序パラメータ緩和の普遍的遅れを説明すること。
• 非摂動的効果的モデルを構築し、非平衡状態における集団ボソン励起モードを記述すること。
• クエンチ後のダイナミクスにおいて指数則ではなくべき乗則に従う緩和の起源を特定すること。
• 長波長モードの過剰励起状態における時間的・空間的普遍的スケーリング行動を特徴づけること。
• 強い駆動状態における非平衡系の秩序パラメータゆらぎを統一的に記述すること。

提案手法

• 光励起された固体における集団ボソンモードの非摂動的効果的場理論を定式化する。
• 強力なレーザークエンチ後の系の応答をモデル化し、長波長横方向ゆらぎに焦点を当てる。
• これらのモードの分布関数の時間発展を解析し、時間的・空間的普遍スケーリングを示す。
• モード分布のスケーリング行動を支配する普遍的指数を解析的に導出する。
• 効果的モデルを用いて、指数的減衰とは異なりべき乗則に従う緩和ダイナミクスを予測する。
• モデルの予測をポンププローブ実験における測定可能な時間分解観測量と結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ多様な固体において強力なレーザー励起後に秩序パラメータゆらぎが類似した遅れを示すのか？
• RQ2 非平衡系において指数則ではなくべき乗則に従う緩和を引き起こす力学的メカニズムは何か？
• RQ3 長波長横方向モードは強力なクエンチ後の長時間ダイナミクスにどのように寄与するか？
• RQ4 時間的・空間的普遍スケーリング則は、過剰励起モードの分布関数をどのように支配するか？
• RQ5 一つの効果的モデルが、異なる対称性が破れた相にわたる普遍的なプリススティル化ダイナミクスを記述できるか？

主な発見

• 系は、普遍的なプリススティル化ダイナミクスを示し、秩序パラメータ回復の遅れを説明するべき乗則緩和を示す。
• 長波長横方向モードが過剰励起され、強力なクエンチ後の長時間ダイナミクスを支配する。
• これらのモードの分布関数は、時間的・空間的普遍スケーリングを示し、解析的に計算可能な指数を持つ。
• モデルは秩序パラメータゆらぎの非指数的・べき乗則緩和を予測し、標準的な熱化モデルとは対照的である。
• 導出されたスケーリング則は普遍的であり、微視的詳細に依存せず、異なる対称性が破れた相に一般化可能である。
• 予測は、既存の時間分解分光技術で検証可能であり、実験的検証が可能である。