[论文解读] Charge density wave breakdown in a heterostructure with electron-phonon coupling

D. J. Jansen, Christian Jooß+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 125被引用 19

一句话总结

本研究利用密度矩阵重整化群（DMRG）方法结合局部基优化（LBO），研究了一维霍尔斯坦模型中电子-声子耦合导致的电荷密度波（CDW）破缺。结果表明，当线性势强度等于极化子结合能时，CDW序迅速衰减；同时识别出不同类型的最优声子模式——占据位点上呈相干态特征，空位点上则偏离相干态特征；此外，首次发现主导最优模式在输运条件下保持稳定。

ABSTRACT

Understanding the influence of vibrational degrees of freedom on transport through a heterostructure poses considerable theoretical and numerical challenges. In this work, we use the density-matrix renormalization group (DMRG) method together with local basis optimization (LBO) to study the half-filled Holstein model in the presence of a linear potential, either isolated or coupled to tight-binding leads. In both cases, we observe a decay of charge-density-wave (CDW) states at a sufficiently strong potential strength. Local basis optimization selects the most important linear combinations of local oscillator states to span the local phonon space. These states are referred to as optimal modes. We show that many of these local optimal modes are needed to capture the dynamics of the decay, that the most significant optimal mode on the initially occupied sites remains well described by a coherent-state typical for small polarons, and that those on the initially empty sites deviate from the coherent-state form. Additionally, we compute the current through the structure in the metallic regime as a function of voltage. For small voltages, we reproduce results for the Luttinger parameters. As the voltage is increased, the effect of larger electron-phonon coupling strengths becomes prominent. Further, the most significant optimal mode remains almost unchanged when going from the ground state to the current-carrying state in the metallic regime.

研究动机与目标

• 理解在电子-声子耦合系统中施加电压时CDW态的非平衡动力学行为。
• 研究振动自由度如何影响量子异质结中的电荷输运与CDW稳定性。
• 开发并应用一种DMRG-LBO框架，以高效模拟关联电子-声子系统中的大局部希尔伯特空间。
• 计算并分析金属区域的电流-电压特性，特别是电子-声子耦合的作用。

提出的方法

• 采用具有线性势的半满一维霍尔斯坦模型，模拟CDW的形成与破缺。
• 应用密度矩阵重整化群（DMRG）方法进行基态与时间演化计算。
• 采用局部基优化（LBO）方法，通过选择振子态的最优线性组合，截断大的局部声子希尔伯特空间。
• 将系统建模为与非相互作用紧束缚电极耦合的异质结，以模拟偏压下的输运行为。
• 利用含LBO的时间依赖DMRG方法计算电流-电压响应，实现非平衡稳态的高效模拟。
• 在低电压下与已知的Luttinger液体参数对比验证结果，并与先前的DMRG及Kubo形式理论研究进行基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 线性势如何在霍尔斯坦模型中诱导电荷密度波序的破缺？
• RQ2 在CDW衰减与电流流动过程中，局部声子模式（特别是最优模式）起何种作用？
• RQ3 电子-声子耦合如何改变金属区域的电流-电压特性？
• RQ4 最优声子模式从基态到输运态的演化中，其特性在多大程度上保持不变？
• RQ5 LBO方法在模拟具有大局部希尔伯特空间的电子-声子系统时，如何提升计算效率？

主要发现

• 当线性势强度接近极化子结合能时，CDW序迅速衰减，表明存在临界破缺阈值。
• 最初占据位点上最重要的最优模式仍可良好地用相干态描述，符合小极化子的典型特征。
• 最初空位点上的最优模式偏离相干态形式，表明CDW熔化过程中发生结构重排。
• 第一种最优模式从基态到输运态几乎保持不变，表明主导声子自由度在输运过程中具有稳定性。
• 计算得到的电流-电压曲线在低电压下重现了已知的Luttinger液体行为，验证了方法的准确性。
• LBO通过高效截断声子希尔伯特空间，在不损失关键物理图像的前提下实现了显著的计算加速。