[论文解读] Cooling by photo-doping $--$ Light-induced symmetry breaking in the Hubbard model

Philipp Werner, Martin Eckstein+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 37被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种通过光致掺杂在 Hubbard 模型中实现光致冷却的机制，其中空穴从掺杂的 Mott 绝缘体转移到一个填满的窄带，从而实现等熵冷却。利用非平衡动力学平均场理论，研究证明啁啾激光脉冲可使系统冷却至 Néel 温度以下，进而在初始温度高于临界温度的状态下诱导出反铁磁序。

ABSTRACT

An elusive goal in the field of driven quantum matter is the induction of long-range order. Here, we demonstrate a mechanism based on light-induced evaporative cooling of holes in a correlated electron system. Since the entropy of a filled narrow band grows rapidly with hole doping, the isentropic transfer of holes from a doped Mott insulator to such a band results in a drop of temperature. Strongly correlated Fermi liquids and symmetry-broken states could thus be produced by dipolar excitations. Using nonequilibrium dynamical mean field theory, we show that suitably designed chirped pulses allow to realize this cooling effect. In particular, we demonstrate the emergence of antiferromagnetic order in a system which is initially in a weakly correlated state above the maximum Néel temperature. Our work suggests a general strategy for inducing strong correlation phenomena and electronic orders in light-driven materials or periodically modulated atomic gases in optical lattice potentials.

研究动机与目标

• 解决在无热化和加热效应条件下，诱导驱动量子物质中长程电子序的挑战。
• 探索光致掺杂是否可通过将熵转移到填满能带，在强关联系统中实现有效冷却。
• 证明对称性破缺态（如反铁磁性）可在初始温度高于 Néel 温度的系统中，通过受控光学激发而出现。
• 开发一种使用啁啾脉冲实现等熵冷却与电子序的现实可行协议。

提出的方法

• 使用非微扰的 NCA+DMFT 求解器，通过非平衡动力学平均场理论（DMFT）模拟受驱动系统。
• 将系统建模为一个掺杂的 Hubbard 能带（‘系统’），通过偶极、时间周期性隧穿与一个完全填满的窄带（‘核心’）耦合。
• 应用时间依赖的杂化函数 $ v_{\text{system-core}}(t) = a(t)f(t-t_p) $，其中 $ a(t) = a_{\text{max}} \sin(\Omega t) $，以模拟激光诱导的跃迁。
• 采用线性啁啾脉冲，动态调节驱动频率 $ \Omega $，以匹配能带之间不断变化的化学势差。
• 通过滞后格林函数和小于格林函数计算时间依赖的谱函数和占据分布，以追踪分布函数与冷却过程。
• 在自洽循环中通过自旋翻转杂化实现反铁磁序的两子晶格 DMFT 方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 光致掺杂是否可通过将熵转移到填满能带，在强关联电子系统中实现有效冷却？
• RQ2 系统是否可通过光致空穴蒸发从初始高于 Néel 温度的状态冷却至 Néel 温度以下？
• RQ3 在啁啾激光脉冲驱动的非平衡态中，反铁磁序是否可实现？
• RQ4 驱动协议的选择（如恒定频率与啁啾频率）如何影响冷却效率与序的出现？
• RQ5 核心能带的带宽与初始化学势在实现等熵冷却中起到何种作用？

主要发现

• 线性啁啾激光脉冲可实现高效的空穴从 Hubbard 能带向核心能带转移，导致有效温度显著降低。
• 系统冷却至 Hubbard 模型的 Néel 温度以下，即使初始制备温度高于该温度，表明反铁磁序的出现。
• 冷却机制依赖于等熵转移：在填满的窄带中，每个空穴的熵较高，因此空穴的释放会降低系统熵与温度。
• 时间依赖的分布函数演化为更冷的费米型分布，表明尽管处于非平衡驱动下，仍实现了有效冷却。
• 模拟显示，光学电导率与谱函数演化为更冷、更相干的状态，反铁磁关联增强。
• 该协议在真实参数下依然有效：核心能带宽度为 0.4，脉冲持续时间约为 30–120 个跃迁积分单位，双占据数极低。