[论文解读] Particle-Hole Pair Coherence in Mott Insulator Quench Dynamics

Khan W. Mahmud, Lei Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2014

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用 3

一句话总结

该论文预测了在突然淬火的莫特绝缘体态中，由于粒子-空穴对的短程非对角相干性，会出现新颖的塌缩-复兴（CR）振荡。在突然改变光晶格深度后，准动量分布会在 $k=0$ 和布里渊区边界（$k=\pi$）之间振荡，且可见度变为负值——这与超流体不同——这是由相干双激发子-空穴对引起的，该现象在超冷原子系统中可观测，并对退相干具有鲁棒性。

ABSTRACT

We predict the existence of novel collapse and revival oscillations that are a distinctive signature of the short-range off-diagonal coherence associated with particle-hole pairs in Mott insulator states. Starting with an atomic Mott state in a one-dimensional optical lattice, suddenly raising the lattice depth freezes the particle-hole pairs in place and induces phase oscillations. The peak of the quasi-momentum distribution, revealed through time of flight interference, oscillates between a maximum occupation at zero quasi-momentum (the $Γ$ point) and the edge of the Brillouin zone. We show that the population enhancements at the edge of the Brillouin zone is due to coherent particle-hole pairs, and we find similar effects for fermions and Bose-Fermi mixtures in a lattice. Our results open a new avenue for probing strongly correlated many-body states with short-range phase coherence that goes beyond the familiar collapse and revivals previously observed in the long-range coherent superfluid regime.

研究动机与目标

• 识别并表征莫特绝缘体中一种新型的塌缩-复兴动力学，其与超流体中的动力学有本质区别。
• 证明粒子-空穴对的短程相位相干性可在淬火后诱导准动量分布中的可观测振荡。
• 表明该动力学对实际实验中的退相干和势阱效应具有鲁棒性，因而具有实验可实现性。
• 将该现象扩展至半满时的费米子以及总占据数为整数的玻色-费米混合系统。
• 为强关联量子物质中超越超流行为的短程相干性提供一种新的探测手段。

提出的方法

• 通过突然降低光晶格深度以冻结粒子-空穴对，并在多体波函数中诱导相位演化。
• 使用无限时间演化块态稀释法（i-TEBD）和精确对角化方法对最多四个格点的一维晶格进行数值模拟。
• 分析时间分辨的准动量分布 $n_k(t)$ 和可见度 $\mathcal{V}(t) = \frac{n_{k=\pi}(t) - n_{k=0}(t)}{n_{k=0}(t) + n_{k=\pi}(t)}$，以检测复兴现象和相干性特征。
• 利用强耦合展开（SCE）理论在深莫特绝缘体区域验证数值结果。
• 在模拟中引入退相干机制，如淬火后的有限跃迁、有效多体相互作用以及谐振势阱。
• 比较玻色子莫特绝缘体、半满自旋无序费米子以及总占据数 $n_{\text{tot}}=1$ 的玻色-费米混合系统中的动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管莫特绝缘体具有短程相干性，是否仍可在其中观测到塌缩-复兴振荡？这与传统认为CR仅存在于超流体中的观点相悖。
• RQ2 粒子-空穴对（双激发子与空穴）在准动量分布中观测到的振荡中起何种作用？
• RQ3 淬火后的莫特绝缘体中，可见度 $\mathcal{V}(t)$ 如何演化？其是否可能变为负值，表明 $k=\pi$ 处的复兴？
• RQ4 该新型CR动力学是否对实验中常见的退相干和谐振势阱等非理想因素具有鲁棒性？
• RQ5 具有整数填充的费米子系统及玻色-费米混合系统是否因关联的粒子-空穴对而表现出相似的动力学行为？

主要发现

• 淬火后，准动量分布在布里渊区边界（$k=\pi$）出现复兴，且在某些时刻 $k=\pi$ 处的峰值占据数超过 $k=0$ 处。
• 在莫特绝缘体区域，可见度 $\mathcal{V}(t)$ 变为负值，表明 $n_{k=\pi}(t) > n_{k=0}(t)$，这是超流淬火中不存在的特征。
• 莫特绝缘体中，可见度随时间呈正弦振荡，与超流淬火中观察到的指数衰减形成鲜明对比。
• 凝聚分数 $f_c(t)$ 因单粒子密度矩阵的自然轨道在对称与反对称态之间振荡而表现出新颖的拐点。
• 只要莫特平台足够大，该效应对有限后淬火跃迁、有效多体相互作用和谐振势阱均具有鲁棒性。
• 该动力学在玻色子、半满自旋无序费米子以及总占据数 $n_{\text{tot}}=1$ 的玻色-费米混合系统中均被观测到，表明该机制具有普适性。