[논문 리뷰] Phonon-induced disorder in dynamics of optically pumped metals from non-linear electron-phonon coupling

John Sous, B. Kloss외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 56인용 수 44

한 줄 요약

이 논문은 제곱형 전자-음향파 상호작용을 갖는 광학적으로 흥분된 금속에서 비평형 역학을 연구하며, 음향파가 대칭 보호 원리에 의해 보존되는 점도 상태를 통해 위상 일관성의 상실과 국소적 상관관계의 급격한 증가를 유도하는 효과적 불순물의 형성을 보여준다. 이로 인해 전자 위상 일관성이 손실되고, 운동량 공간 상관관계가 평탄해지며 이중 점유도 증가함으로써 강한 상관관계를 가지는 전자-음향파 정상 상태가 형성되며, 이는 잠재적 초전도성의 부재를 설명하고 비평형 시스템에서 동적으로 유도된 강한 결합 경로를 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이중극자 활성 음향파의 광학적 흥분에 의해 유도된 비평형 상태에서 전자-음향파 상호작용이 비선형적으로 결합된 금속의 비평형 역학을 이해하기 위해.
• 비선형 전자-음향파 상호작용이 고정 불순물 없이도 잠재적 전자 불순물의 형성에 어떻게 기여하는지 조사하기 위해.
• 초기 공명 음향파 상태와 보존되는 음향파 점유 수가 효과적 국소화와 위상 일관성 상실에 어떻게 기여하는지 규명하기 위해.
• 선형(Holstein) 모델과의 비교를 통해 제곱형 상호작용 모델의 동적 반응이 상관관계 증가 및 이중 점유도 측면에서 어떻게 다를지 분석하기 위해.
• 진동적으로 결합된 전자와의 펌프-프로브 실험을 해석하기 위한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 무한한 1차원 시스템의 시간 진화를 무한한 시간-진화 블록 분할(iTEBD) 알고리즘과 텐서 네트워크 방법을 사용하여 시뮬레이션한다.
• 유한한 크기의 시스템(L = 3–6)에 대해 직접 Krylov 부분공간 방법을 적용하여 장시간 역학을 분석한다.
• 제곱형 전자-음향파 모델의 정성적 역학을 기술하는 효과적 해밀토니안을 유도하기 위해 압축 기반 변환을 사용한다.
• 통제 가능한 시간 간격(dt)과 잘라내기 오차(ϵTEBD)를 갖는 4차 스텝 Trotter화 방법을 사용하여 수렴성을 확보한다.
• 음향파 힐베르트 공간 차원(dν = 10–14), 결합 차원(χ ≤ 5000), 잘라내기 오차(ϵTEBD = 10−3.5)에 대해 결과의 수렴성을 확보한다.
• 이중 점유도 및 음향파 수 기대값을 기반으로 유도된 효과적 결합 상수 λH를 활용해 제곱형 모델과 효과적 Holstein 유사 모델을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비평형 상태에서 제곱형 전자-음향파 상호작용이 어떻게 효과적 불순물의 형성에 기여하는가?
• RQ2 보존되는 음향파 점유 수가 전자 위상 일관성 억제와 국소화 유도에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 제곱형 상호작용 모델의 동적 반응은 선형 Holstein 모델과 비교해 상관관계 증가 및 이중 점유도 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ4 운동량 공간 및 실공간 관측량에서 장시간 상관관계를 가지는 전자-음향파 정상 상태의 특징은 무엇인가?
• RQ5 초기 공명 음향파 상태가 고정 불순물 없이도 불순물 잠재력과 유사한 자기 평균 전자 반응을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 전하, 스핀, 쌍성 상관관계의 운동량 공간 구조가 급격히 손실되며, 이는 운동량 의존 상관관계 함수의 평탄화로 나타나 효과적 불순물의 형성 신호로 간주된다.
• 초기 공명 음향파 상태는 약간의 음향파 점유 수 보존을 보이며, 음향파 영역 간 전자 자기 평균화를 유도하여 비대칭 위상 일관성을 파괴하고 국소화를 유도한다.
• 제곱형 모델에서 이중 점유도가 크게 증가하여 선형 Holstein 모델의 값보다 높아지며, 강한 결합 영역으로의 전이를 시사한다.
• 밀도-밀도 상관관계 함수는 피에르 속도로 정의된 빛의 원추 뒤에서 무구조적이 되며, 장시간 한계에서 공간적으로 무작위 상관관계를 나타낸다.
• 전자-음향파 상호작용 항의 기대값이 시간이 지남에 따라 증가하여 장시간 강한 상관관계 정상 상태로의 진화를 나타낸다.
• gq = 0.25 및 ω = π/2일 때 효과적 결합 상수 λH ≈ 0.1을 추정하였으며, 이는 중간 수준의 전자-전자 상호작용을 갖는 Holstein 모델과 정량적으로 유사함을 보여주며, 효과적 이론 접근의 타당성을 입증한다.