[논문 리뷰] Nonequilibrium Quantum Breakdown in a Strongly Correlated Electron System

Takashi Oka, Hideo Aoki|arXiv (Cornell University)|2008. 03. 04.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 전기장 하에서 모트 절연체에서의 유전체 파손이 다체 랑도-지너 전이에 의해 발생하며, 비어도적 양자 터널링이 더블론과 홀을 생성한다고 제안한다. 주요 결과는 양자 파손을 위한 임계 전기장 강도를 이론적으로 예측한 것으로, 이는 구프레이트에서의 실험 관측과 일치하며, 절연체 상태의 붕괴 비율이 측정된 도전성 도메인 생성 비율과 정량적으로 연결되어 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The nonlinear transport properties of the Mott insulator are discussed with focus on the many-body Landau-Zener mechanism. After reviewing basic concepts such as the non-adiabatic geometric phase and the Schwinger mechanism, we study the decay of the insulating groundstate in strong electric fields using the time-dependent density matrix renormalization group. A short comment on the proposed mapping to the quantum walk model is added before discussing the relevance of the theory to experimental results. This article is a draft of a book chapter of the book entitled "Quantum and Semi-classical Percolation & Breakdown" (Lecture Note in Physics, Springer-Verlag), to appear 2008.

연구 동기 및 목표

• 비평형 조건에서 강한 상관관계를 가지는 전자 시스템에서의 유전체 파손 메커니즘을 이해하는 것.
• 강한 전기장이 모트 절연체에서 비평형 양자 전이를 유도하여 금속-절연체 전이를 일으키는 방식을 조사하는 것.
• 관측된 파손을 위한 임계 전기장 강도를 다체 랑도-지너 터널링과 연결하는 이론적 프레임워크를 수립하는 것.
• 이론적으로 도출된 절연체 상태의 붕괴 비율을 실험적으로 측정된 도전성 도메인 생성 비율과 연결하는 것.

제안 방법

• 현위치 상호작용(U)과 터널링(t_hop)을 갖는 단일 밴드 허버드 모델을 사용하여 강한 상관관계를 가지는 전자를 기술한다.
• 비평형 조건을 유도하기 위해 강한 일정 전기장을 적용하며, 시간에 따라 변하는 섭동 이론을 통해 시스템의 반응을 모델링한다.
• 비어도적 전이 이론을 사용하여 전하 자극(더블론-홀 쌍 생성)을 위한 다체 랑도-지너 전이 비율을 계산한다.
• 모트 갭과 효과적 질량를 고려하여 랑도-지너 공식을 활용해 파손을 위한 임계 전기장 강도를 유도한다.
• 태쿠치 등이 보고한 이론적 붕괴 비율 Γ(F)를 실험적 지연 시간과 도전성 도메인 생성 비율과 비교한다.
• 전극 근처에서의 밴드 굽힘과 국소 평형 효과를 모델링하기 위해 DMRG와 하트리 포텐셜 계산을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 전기장 하에서 모트 절연체에서의 유전체 파손을 뒷받침하는 미시적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 다체 랑도-지너 터널링은 구프레이트에서 관측된 파손을 위한 임계 전기장 강도를 어떻게 설명하는가?
• RQ3 측정된 도전성 도메인 생성 비율이 절연체 상태의 이론적 붕괴 비율과 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 임계 전기장 강도는 모트 갭과 U 및 t_hop와 같은 시스템 매개변수에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 비평형 양자 파손은 열적 활성화가 아니라 일관된 양자 터널링 과정으로 이해될 수 있는가?

주요 결과

• 모트 절연체에서의 양자 파손을 위한 임계 전기장 강도는 약 10^6 eV/cm로 예측되며, 이는 실험 측정 결과와 일치한다.
• 이론적 붕괴 비율 Γ(F)는 Sr2CuO3에서 관측된 도전성 도메인 생성 비율과 일치한다.
• 붕괴 비율의 전기장 의존성은 Γ(F) ∼ (F/2π) ln(1−p) 형태를 띠며, 이는 랑도-지너 터널링 예측과 일치한다.
• 실험적 지연 시간 τ(F)와 도전성 도메인 생성 비율 P(F)가 이론적 붕괴 비율과 스케일링되는 것으로 나타나, 랑도-지너 메커니즘이 타당함을 뒷받침한다.
• 에너지 공간에서의 양자 간섭에 의한 역동적 국소화로 인해 비평형 안정 상태가 나타나며, 이는 추가적인 전하 생성을 억제한다.
• 이론적 및 실험적 결과는 파손이 열적 활성화가 아니라 양자적이고 일관된 과정임을 지지하며, 이는 온도 의존성 임계 행동에 의해 뒷받침된다.