[论文解读] Nonequilibrium Quantum Breakdown in a Strongly Correlated Electron System

Takashi Oka, Hideo Aoki|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2008

Quantum and electron transport phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出，在强电场作用下，莫特绝缘体中的介电击穿源于多体兰道-济奈跃迁，其中非绝热量子隧穿产生双占据态（doublons）和空穴。关键结果是理论预测了量子击穿的阈值电场，该结果与铜氧化物中的实验观测一致，且绝缘态的衰变率与实验测得的导电畴生成速率定量吻合。

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.

研究动机与目标

• 理解强关联电子系统在非平衡条件下介电击穿的机制。
• 研究强电场如何在莫特绝缘体中诱导非平衡量子跃迁，导致金属-绝缘体转变。
• 建立一个理论框架，将观测到的击穿阈值电场与多体兰道-济奈隧穿联系起来。
• 将理论计算的绝缘态衰变率与实验测得的导电畴生成速率关联起来。

提出的方法

• 使用单带 Hubbard 模型描述具有局域库仑排斥作用（U）和跃迁积分（t_hop）的强关联电子。
• 施加强直流电场以诱导非平衡条件，通过时变微扰理论模拟体系响应。
• 利用非绝热跃迁理论计算电荷激发（双占据-空穴对产生）的多体兰道-济奈跃迁率。
• 基于兰道-济奈公式推导击穿的阈值电场，结合莫特能隙和有效质量。
• 将理论衰变率 Γ(F) 与 Taguchi 等人的实验延迟时间及导电畴生成速率进行比较。
• 采用 DMRG 和哈特ree势计算模拟电极附近区域的能带弯曲及局域平衡效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强电场下，莫特绝缘体介电击穿的微观机制是什么？
• RQ2 多体兰道-济奈隧穿如何解释在铜氧化物中观测到的击穿阈值电场？
• RQ3 导电畴的实测生成速率在多大程度上与绝缘态的理论衰变率相符？
• RQ4 阈值电场如何依赖于莫特能隙以及 U 和 t_hop 等系统参数？
• RQ5 非平衡量子击穿能否被理解为相干量子隧穿过程，而非热激活过程？

主要发现

• 莫特绝缘体中量子击穿的阈值电场被理论预测约为 10^6 eV/cm，与实验测量结果一致。
• 绝缘态的理论衰变率 Γ(F) 与 Sr2CuO3 中实验观测到的导电畴生成速率定量匹配。
• 衰变率的电场依赖性符合形式 Γ(F) ∼ (F/2π) ln(1−p)，与兰道-济奈隧穿预测一致。
• 实验延迟时间 τ(F) 和导电畴生成速率 P(F) 均与理论衰变率呈比例关系，支持兰道-济奈机制。
• 由于能量空间中量子干涉导致的动力学局域化，系统表现出非平衡稳定态，抑制了进一步的电荷产生。
• 理论与实验结果均表明，击穿是一个量子相干过程，而非热激活过程，这由阈值随温度 T 的依赖行为所证实。