[论文解读] Phonon-induced disorder in dynamics of optically pumped metals from non-linear electron-phonon coupling

John Sous, B. Kloss+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 56被引用 44

一句话总结

本文研究了具有二次电子-声子耦合的光泵浦金属中的非平衡动力学，表明相干声子激发通过对称性保护的声子占据数守恒诱导出有效无序。由此产生的电子相位相干性丧失以及局域关联的快速增长——表现为动量空间关联的平坦化和双占据数的增强——导致了关联电子-声子稳态的形成，解释了瞬态超导性的缺失，并揭示了非平衡体系中动态诱导强关联的路径。

ABSTRACT

The non-equilibrium dynamics of matter excited by light may produce electronic phases that do not exist in equilibrium, such as laser-induced high-transition-temperature superconductivity. Here we simulate the dynamics of a metal driven at initial time $t=0$ by a spatially uniform pump that excites dipole-active vibrational modes which couple quadratically to electrons. We study in detail the evolution of electronic and vibrational observables and their coherences. We provide evidence for enhancement of local electronic correlations, including double occupancy, accompanied by rapid loss of spatial structure, which we interpret as a signature of emergent effective disorder in the dynamics. This effective disorder, which arises in absence of quenched randomness, dominates the electronic dynamics as the system evolves towards a correlated electron-phonon long-time state, possibly explaining why transient superconductivity is not observed. The pumped electron-phonon systems studied here, which are governed by non-linear coupling, exhibit a much more substantial dynamical response than linearly coupled models relevant in equilibrium, thus presenting a pathway to new modalities for out-of-equilibrium phases. Our results provide a basis within which to understand correlation dynamics in current pump-probe experiments of vibrationally coupled electrons, highlight the importance of the evolution of phase coherence, and demonstrate that pumped electron-phonon systems provide a means of approximately realizing recently proposed scenarios of dynamically induced disorder in translation-invariant systems.

研究动机与目标

• 理解通过偶极子活性声子的光激发驱动的金属中非平衡动力学，其电子与声子具有二次耦合。
• 研究非线性电子-声子耦合如何在无淬火无序的情况下诱导出涌现的电子无序。
• 确定初始相干声子态与守恒的声子占据数在诱导有效局域化和相位相干性丧失中的作用。
• 将二次耦合模型的动力学响应与线性（Holstein）模型进行比较，突出关联效应的增强。
• 为涉及振动耦合电子的泵浦-探测实验提供理论框架，并识别动态诱导强关联的特征信号。

提出的方法

• 使用张量网络方法中的无限时间演化块态稀释（iTEBD）算法，模拟一维无限系统的时间演化。
• 对有限尺寸系统（L = 3–6）采用直接Krylov子空间方法，结合扭曲边界条件，以研究长时间动力学。
• 通过压缩基变换推导出有效哈密顿量，以捕捉二次电子-声子模型的定性动力学行为。
• 采用四阶Trotter分解方案进行时间演化，控制时间步长（dt）和截断误差（ϵTEBD），以确保收敛性。
• 针对声子希尔伯特空间维度（dν = 10–14）、键维数（χ ≤ 5000）和截断误差（ϵTEBD = 10−3.5）实现结果收敛。
• 通过双占据数和声子数期望值，将二次模型与有效Holstein型模型进行比较，推导出有效耦合常数λH。

实验结果

研究问题

• RQ1 在驱动的非平衡系统中，二次电子-声子耦合如何导致有效无序的涌现？
• RQ2 守恒的声子占据数在抑制电子相位相干性和诱导局域化中起什么作用？
• RQ3 与线性Holstein模型相比，二次耦合模型的动力学响应在关联增长和双占据数方面有何不同？
• RQ4 在动量空间和实空间可观测量中，长时间关联电子-声子稳态的特征信号是什么？
• RQ5 初始相干声子态是否能导致电子响应的自平均化，从而在无淬火无序的情况下模拟无序势？

主要发现

• 电荷、自旋和配对关联的动量空间结构迅速丧失——表现为动量依赖关联函数的平坦化——表明有效无序的出现。
• 初始相干声子态（声子占据数近似守恒）导致电子在声子子空间中实现自平均化，破坏了非对角相干性并诱导局域化。
• 双占据数在二次模型中显著增加，其值超过线性Holstein模型，表明系统已进入强耦合区。
• 在费米速度定义的光锥之后，密度-密度关联函数变得无结构，表明长时间极限下空间关联呈随机性。
• 电子-声子相互作用项的期望值随时间增长，表明系统向强关联的长时间稳态演化。
• 估算得到有效耦合常数λH ≈ 0.1（当gq = 0.25且ω = π/2时），表明其与中等电子-电子相互作用的Holstein模型具有定性等价性，验证了有效理论方法的有效性。