[논문 리뷰] Crossover from attractive to repulsive induced interactions and bound states of two distinguishable Bose polarons

Friethjof Theel, S. I. Mistakidis외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 107인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 한 차원의 조화 퍼텐셜에 갇힌 보즈 가스에서 두 개의 구별 가능한 불순물이 존재할 때, 매질과의 결합 부호에 따라 인한 상호작용이 인력에서 재력으로의 전이를 규명한다. 변분 다구성시간의존보즈-하트리(변분 다구성시간의존보즈-하트리, vMCTDH-B)를 사용하여, 반대 부호의 결합은 비결합과 재력 효과 상호작용을 유도하고, 같은 부호의 결합은 상관된 행동과 이중자, 삼중자와 같은 결합 상태를 유도하며, 삼중자는 타원형의 삼체 상관관계로 특징지어진다.

ABSTRACT

We study the impact of induced correlations and quasiparticle properties by immersing two distinguishable impurities in a harmonically trapped bosonic medium. It is found that when the impurities couple both either repulsively or attractively to their host, the latter mediates a two-body correlated behavior between them. In the reverse case, namely the impurities interact oppositely with the host, they feature anti-bunching. Monitoring the impurities relative distance and constructing an effective two-body model to be compared with the full many-body calculations, we are able to associate the induced (anti-) correlated behavior of the impurities with the presence of attractive (repulsive) induced interactions. Furthermore, we capture the formation of a bipolaron and trimer state in the strongly attractive regime. The trimer refers to the correlated behavior of two impurities and a representative atom of the bosonic medium and it is characterized by an ellipsoidal shape of the three-body correlation function. Our results open the way for controlling polaron induced correlations and creating relevant bound states.

연구 동기 및 목표

• 두 구별 가능한 불순물이 보즈 가스의 매질과의 결합 부호에 따라 유도된 상호작용이 어떻게 달라지는지 이해하는 것.
• 다양한 불순물-매질 상호작용 영역에서 준입자 상관관계와 결합 상태(이중자, 삼중자 포함)의 발생을 조사하는 것.
• 상호성분 얽힘과 다체 상관관계가 효과적 불순물 상호작용을 어떻게 형성하는지 정량화하는 것.
• 세 성분 양자 시스템에서 상대 불순물 거리, 효과적 이체계 모델, 그리고 전반적인 다체 계산 간의 연관성을 설정하는 것.

제안 방법

• 세 성분 체계인 두 개의 구별 가능한 불순물과 보즈 가스에 대해 전반적인 다체 슈뢰딩거 방정식을 해결하기 위해 변분 다구성시간의존보즈-하트리(vMCTDH-B)를 사용한다.
• 불순물 간 상대 거리를 기반으로 한 효과적 이체계 모델을 구성하여 전반적인 다체 결과와 비교하고, 유도된 상호작용을 추출한다.
• 다체 파동함수와 종류 평균장(sMF) 앵자 간의 민감도 분석을 통해 상호성분 상관관계의 중요도를 정량화한다.
• 효과적 종류 해밀토니안의 기저 상태 분포를 분석하여 다체 파동함수에 기여하는 미시적 구성 요소를 규명한다.
• 삼체 상관 함수를 매핑하여 삼중자 상태를 식별하고, 구성공간에서 타원형 형태로 특징지어진다.
• 불순물-매질 결합 강도(gAC)를 인력에서 재력으로 변화시켜, 상관된 행동에서 비상관된 행동으로의 전이를 탐색한다.

Figure 1: One-body $\sigma$ -species density, $\rho_{\sigma}^{(1)}(x)$ , shown together with the effective potentials [Eq. ( 6 )] of the impurities (see legend). Two distinguishable non-interacting impurities ( $B$ , $C$ ) are considered which are individually coupled to a bosonic medium $A$ with $g

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 구별 가능한 불순물이 보즈 가스와 반대 부호로 결합할 경우, 어떻게 재력 유도 상호작용과 비결합이 발생하는가?
• RQ2 불순물의 결합 부호를 반전시킬 때, 효과적 상호작용이 인력에서 재력으로 전이되는 전이의 성격은 무엇인가?
• RQ3 강한 인력 영역에서 두 불순물과 한 매질 원자로 구성된 삼중자 상태가 형성되는 조건은 무엇인가?
• RQ4 상호성분 상관관계와 얽힘은 불순물의 효과적 질량과 상대 거리에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 세 성분 체계의 기본 상태 성질을 결정하는 데 있어 다체 상관관계가 평균장 근사보다 얼마나 우세한가?

주요 결과

• 두 불순물이 매질과 모두 인력 또는 모두 재력으로 결합할 경우, 보즈 매질을 통해 상관된 행동을 보이며, 두 경우 모두 효과적 상호작용은 인력이다.
• 불순물 간 결합 부호가 반대일 경우, 유도된 상호작용은 재력이 되어 비결합과 공간적 분리가 발생한다.
• 한 불순물의 결합 부호를 반전시킴으로써 시스템은 상관된 행동에서 비상관된 행동으로 명확한 전이를 겪으며, 이는 직접적으로 유도된 상호작용의 부호와 관련된다.
• 강한 인력 영역에서 삼중자 상태가 형성되며, 이는 두 불순물과 한 매질 원자를 포함하는 타원형의 삼체 상관 함수로 특징지어진다.
• 공융 영역(강한 재력)에서 다체 파동함수와 종류 평균장 파동함수 간의 민감도가 크게 감소하여 강한 상호성분 얽힘과 비정상적인 다체 상관관계가 있음을 시사한다.
• 효과적 종류 해밀토니안의 에너지가 높은 상태들이 다체 파동함수에 상당히 기여하며, 특히 재력 영역에서 이는 평균장 기술의 붕괴를 확인한다.

Figure 2: Two-body correlation function (in units of $m\omega/\hbar$ ) between (a1)-(c1) one bath particle and the $B$ impurity as well as (a2)-(c2) among the two non-interacting impurities [see Eq. ( 7 )]. Each column corresponds to the same interaction configuration which is from left to right $(g