[论文解读] Strong field physics in condensed matter

Takashi Oka|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文建立了高能物理中强场量子场论与凝聚态系统中非平衡现象之间的深层理论联系，表明如施温格机制和沃尔科夫态等概念在凝聚态输运中存在直接类比，例如光伏霍尔效应与非绝热几何相位。核心贡献在于构建了一个统一框架，将强关联体系在强电场和光场作用下的非线性输运、介电击穿与拓扑响应联系起来。

ABSTRACT

There are deep similarities between non-linear QFT studied in high-energy and non-equilibrium physics in condensed matter. Ideas such as the Schwinger mechanism and the Volkov state are deeply related to non-linear transport and photovoltaic Hall effect in condensed matter. Here, we give a review on these relations.

研究动机与目标

• 识别并形式化高能物理中非线性量子场论与凝聚态系统中非平衡现象之间的深层类比。
• 证明如施温格机制和沃尔科夫态等概念在凝聚态输运中存在直接对应，例如介电击穿与光伏霍尔效应。
• 通过非绝热有效拉格朗日形式化，将极化率的贝里相位理论扩展至有限电场。
• 展示交流场，特别是圆偏振光，如何在石墨烯等狄拉克材料中诱导能带结构的拓扑变化与人工规范场。
• 为高能QFT概念与强关联及拓扑材料中的实验可观测量之间建立理论桥梁。

提出的方法

• 形式化凝聚态系统中的海森堡-艾勒有效拉格朗日量，以描述强电场下绝缘体的非线性响应。
• 使用相位锁定的跃迁项时间依赖规范，以在晶格模型中模拟时变电场。
• 应用虚时方法与兰道-宗德隧道理论，计算 Hubbard 模型中的衰变率与击穿阈值。
• 采用弗洛凯图像描述交流场下的电子动力学，将光子吸收与发射纳入格林函数形式化。
• 通过光致贝里曲率与动量空间中的人工规范场，将 TKNN 公式推广至交流驱动系统。
• 结合 Keldysh 非平衡格林函数技术与弗洛凯理论，计算驱动石墨烯系统中的霍尔电流与电导。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子电动力学中的施温格机制与真空中对产生如何与能带绝缘体和莫特绝缘体中的介电击穿相关？
• RQ2 非绝热几何相位与有效拉格朗日形式化在多大程度上可描述强电场下的非线性输运？
• RQ3 电子关联在多大程度上改变了介电击穿阈值，相较于非相互作用模型？
• RQ4 圆偏振光如何在狄拉克材料中诱导拓扑相变与光伏霍尔效应？
• RQ5 在弗洛凯图像中扩展的 TKNN 公式能否准确预测光驱动拓扑系统中的霍尔电导率？

主要发现

• 有效拉格朗日量的虚部，Re ℒ(F)，给出了强电场下绝缘基态的衰变率，其中 Γ(F)/L^d = 2 Im ℒ(F) 描述了隧穿诱导的击穿。
• 在非相互作用极限下，兰道-宗德理论的击穿阈值 F_th^LZ = (Δ/2)^2 / v 与虚时方法一致，但在强关联区域显著偏离。
• 对于强库珀 U，击穿阈值 F_th^ITM ∝ U − const. 与兰道-宗德预测 F_th^LZ ∝ U^2 显著不同，表明强关联效应显著。
• 在圆偏振光照射下的石墨烯中，狄拉克点处打开动力学能隙，导致有限的光致贝里曲率与可测量的光伏霍尔电流。
• 霍尔电导率 σ_xy 由光致贝里曲率在动量空间的积分给出，与弗洛凯图像中扩展的 TKNN 公式一致。
• 数值模拟表明，霍尔电流随光强增加而增强，证实了光伏霍尔效应作为对交流驱动规范场的拓扑响应。