[논문 리뷰] Particle-Hole Pair Coherence in Mott Insulator Quench Dynamics

Khan W. Mahmud, Lei Jiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 26.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 44인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 입자-홀 쌍의 비대칭성에 기인한 단거리 비대칭 위상 상관관계로 인해 급격히 변화된 모트 절연체 상태에서 새로운 붕괴-복귀(CR) 진동을 예측한다. 급격한 격자 펌프 이후, 준운동량 분포는 $k=0$에서 최대 점유와 부역역대 경계($k=\pi$) 사이를 진동하며, 이는 초유체와는 다름없이 위상 공명에 의해 유도된 이중자-홀론 쌍으로 인해 부정적인 시각화를 보이게 된다. 이는 초냉각 기체에서 관측 가능하며, 위상 분산에 강건하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초유체에서의 것과는 다름없는 새로운 종류의 붕괴-복귀 역학을 모트 절연체에서 식별하고 특성화하는 것.
• 입자-홀 쌍으로부터 유도된 단거리 위상 상관관계가 펌프 이후 준운동량 분포에서 측정 가능한 진동을 유도한다는 것을 보여주는 것.
• 이 역학이 실제 위상 분산과 포획 효과에 대해 강건함을 보여주어 실험적으로 접근 가능하게 한다는 것.
• 반드시 반-채움 상태인 페르미온과 정수 총 점유수를 가진 보스-페르미 혼합계로 이 현상을 확장하는 것.
• 초유체적 행동을 넘어서 강한 상관관계를 가진 양자물질에서 단거리 상관관계를 새로운 탐사 수단으로 제공하는 것.

제안 방법

• 입자-홀 쌍을 동결시키고 many-body 파동함수의 위상 진화를 유도하기 위해 광학 격자 깊이를 급격히 변화시키는 펌프.
• 최대 4개의 격자 사이트를 가진 1차원 격자에서 무한 시간-진화 블록 감소(i-TEBD) 및 정확한 대각화를 사용한 수치 시뮬레이션.
• 시간에 따라 변화하는 준운동량 분포 $n_k(t)$와 시각화도 $\mathcal{V}(t) = \frac{n_{k=\pi}(t) - n_{k=0}(t)}{n_{k=0}(t) + n_{k=\pi}(t)}$ 분석을 통해 복귀와 상관관계 서명을 탐지.
• 깊은 모트 절연체 영역에서 수치 결과를 검증하기 위해 강한 결합 전개(SCE) 이론을 사용.
• 시뮬레이션에 위상 분산 메커니즘(유한한 펌프 후 터널링, 효과적 다체 상호작용, 조화 포획)을 포함.
• 보스 모트 절연체, 반-채움 상태의 스핀 없는 페르미온, 총 점유수 $n_{\text{tot}}=1$인 보스-페르미 혼합계에서의 역학을 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 초유체에서만 CR가 발생한다고 보는 관점에 비해, 단거리 상관관계를 가진 모트 절연체에서 붕괴-복귀 진동이 나타날 수 있는가?
• RQ2 입자-홀 쌍(이중자와 홀론)은 준운동량 분포에서 관측된 진동을 어떻게 유도하는가?
• RQ3 펌프 후 모트 절연체에서의 시각화도 $\mathcal{V}(t)$는 어떻게 행동하며, $k=\pi$ 복귀를 나타내는 부정적인 값으로 변할 수 있는가?
• RQ4 위상 분산과 조화 포획과 같은 실제 실험적 결함에 대해 이 새로운 CR 역학이 강건한가?
• RQ5 정수 채움 상태를 가진 페르미온 및 보스-페르미 혼합계에서 상관관계가 있는 입자-홀 쌍으로 인해 유사한 역학이 나타나는가?

주요 결과

• 펌프 이후 준운동량 분포는 부역역대 경계($k=\pi$)에서 복귀를 보이며, 특정 시점에서 $k=\pi$의 피크 점유수가 $k=0$보다 높아진다.
• 모트 절연체 영역에서 시각화도 $\mathcal{V}(t)$가 부정수가 되어 $n_{k=\pi}(t) > n_{k=0}(t)$임을 나타내며, 이는 초유체 펌프에서는 관찰되지 않는 서명이다.
• 모트 절연체에서는 시각화도가 시간에 따라 사인파처럼 진동하는 반면, 초유체 펌프에서는 지수 감쇠를 보인다.
• 응축도 분율 $f_c(t)$는 단일체 밀도 행렬의 대칭 및 반대칭 자연 궤도 사이의 진동으로 인해 새로운 꺾임을 보인다.
• 유한한 펌프 후 터널링, 효과적 다체 상호작용, 조화 포획이 존재하더라도, 모트 플라토가 충분히 넓을 경우 이 효과는 강건하다.
• 이 역학은 보스 입자, 반-채움 상태의 스핀 없는 페르미온, 총 점유수 $n_{\text{tot}}=1$인 보스-페르미 혼합계에서 모두 관측되어 이 메커니즘의 보편성을 시사한다.