[논문 리뷰] Cooling by photo-doping $--$ Light-induced symmetry breaking in the Hubbard model

Philipp Werner, Martin Eckstein외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 37인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 광도핑을 통한 광유도 쿨링 메커니즘을 허버드 모델에서 제안한다. 여기서 정공은 도핑된 모트 절연체에서 채워진 좁은 밴드로 이동하며, 등엔트로피 냉각을 가능하게 한다. 비평형 동역학 평균장 이론을 사용하여, 이완된 레이저 펄스가 시스템을 네일 온도 이하로 냉각시키고, 초기에는 임계 온도 이상이었던 상태에서 반자성 질서를 유도함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 열화 및 가열 효과 없이 비평형 양자물질에서 장거리 전자 질서를 유도하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 강한 상관관계를 가진 시스템에서 채워진 밴드로의 엔트로피 이행을 활용하여 광도핑이 효과적인 냉각을 가능하게 할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 제어된 광학적 자극을 통해 초기에는 네일 온도 이상이었던 시스템에서 대칭 깨짐 상태인 반자성 질서가 어떻게 나타날 수 있는지 보여주기 위해.
• 강한 상관관계를 가진 전자 시스템에서 등엔트로피 냉각과 전자 질서를 달성하기 위한 현실적인 프로토콜을 개발하기 위해.

제안 방법

• 비평형 동역학 평균장 이론(비파erturbative NCA+DMFT 솔버를 사용하여 구동된 시스템을 시뮬레이션한다.
• 시스템을 도핑된 허버드 밴드(‘시스템’)와 완전히 채워진 좁은 밴드(‘코어’) 사이의 두극자적이고 시간 주기적인 턨널링으로 연결된 것으로 모델링한다.
• 레이저 유도 전이를 시뮬레이션하기 위해 시간 의존 하이브리드화 함수 $ v_{\text{system-core}}(t) = a(t)f(t-t_p) $ 를 적용한다. 여기서 $ a(t) = a_{\text{max}} \sin(\Omega t) $ 이다.
• 밴드 간의 화학적 포텐셜 차이에 따라 변화하는 데 맞추어 동적으로 주파수 $ \Omega $ 를 조절하기 위해 선형 레이저 펄스를 사용한다.
• 지연 및 낮은 그린 함수를 통해 시간에 따라 변화하는 스펙트럼 함수와 점유 분포를 계산하여 분포 함수와 냉각을 추적한다.
• 자기적 순환 루프 내에서 스핀 반전 하이브리드화를 통해 이중 서브격자 DMFT 접근법을 사용하여 반자성 질서를 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광도핑이 채워진 밴드로의 엔트로피 이행을 통해 강한 상관관계를 가진 전자 시스템에서 효과적인 냉각을 유도할 수 있는가?
• RQ2 초기에는 네일 온도 이상이었던 시스템이 광유도 정공 증발을 통해 그 이하로 냉각될 수 있는가?
• RQ3 선형 레이저 펄스로 구동된 비평형 상태에서 반자성 질서를 달성할 수 있는가?
• RQ4 주행 프로토콜의 선택(예: 일정 주파수 대비 레이저 펄스 주파수 변화)이 냉각 효율성과 질서의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 코어 밴드의 대역폭과 초기 화학적 포텐셜은 등엔트로피 냉각을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 선형 레이저 펄스는 허버드 밴드에서 코어 밴드로의 효율적인 정공 이동을 가능하게 하여 효과적인 온도가 급격히 낮아짐을 보여준다.
• 시스템은 초기에 네일 온도 이상으로 준비되었음에도 불구하고, 그 이하로 냉각되어 반자성 질서가 나타남을 나타낸다.
• 냉각 메커니즘은 등엔트로피 이행에 기반한다: 채워진 좁은 밴드에서는 정공 당 엔트로피가 높기 때문에 정공의 배출은 시스템의 엔트로피와 온도를 감소시킨다.
• 시간에 따라 변화하는 분포 함수는 냉각된 펌프-유사 분포로 수렴하며, 비평형 구동 상태임에도 불구하고 효과적인 냉각을 나타낸다.
• 시뮬레이션 결과, 전도도와 스펙트럼 함수가 냉각되고 더 일관성 있는 상태로 변화하며 반자성 상관관계가 강화됨을 보여준다.
• 실제 파rameter 조건에서도 프로토콜은 효과를 유지한다: 코어 밴드의 대역폭은 0.4이며, 주행 펄스의 지속 시간은 투자 에너지 단위로 약 30–120이며, 이중 점유 수준은 최소한이다.