[论文解读] Suppressed coarsening after an interaction quench in the Holstein chain

Ho Jang, Gia-Wei Chern|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2026

Quantum many-body systems被引用 0

一句话总结

论文研究半经典 Holstein 模型中相互作用断耦后的非平衡动力学，揭示三种制度（非平衡金属性、准共arsening 的 n ~ t^{-1/3}、被阻滞的 CDW），并通过电子的内部浴效应解释异常的拐点动力学。

ABSTRACT

We investigate the nonequilibrium dynamics induced by an interaction quench in the semiclassical Holstein model within the Ehrenfest nonadiabatic framework, which describes an isolated hybrid quantum-classical system with strictly conserved total energy. Focusing on the half-filled case, where the equilibrium ground state exhibits commensurate charge-density-wave (CDW) order for any nonzero coupling, we identify three distinct post-quench dynamical regimes as a function of the final electron-phonon coupling: a nonequilibrium metallic state without CDW order, an intermediate regime characterized by slow scale-invariant ordering dynamics, and a frozen CDW state with arrested coarsening and immobile kinks. We analyze the intermediate regime in detail and uncover an unconventional algebraic decay of the kink density, $n \sim t^{-1/3}$, distinct from both ballistic annihilation and diffusive coarsening in classical dissipative systems. We show that this anomalous exponent arises from the hybrid nature of the dynamics: while the lattice evolves deterministically, the electronic degrees of freedom act as an effective internal bath that induces diffusive kink motion without energy dissipation. An effective reaction-diffusion description, incorporating both annihilation and elastic scattering of kinks, quantitatively accounts for the observed scaling behavior. Our results reveal a distinct coarsening mechanism in isolated hybrid systems, demonstrating how internal quantum dynamics can qualitatively reshape defect kinetics far from equilibrium.

研究动机与目标

• 在半经典 Holstein 模型中研究相互作用断耦后的非平衡动力学。
• 确定断耦后行为的制度并绘制作为最终电子-声子耦合的动力学相图。
• 理解一个孤立混合体系中域形成、拐点动力学和共arsening 的机制。
• 表征中间的准共arsening 区间及其尺度律。
• 解释为何在强耦合时共arsening 会被阻滞，以及内部电子自由度如何充当浴。

提出的方法

• 使用 Ehrenfest 非对角（能量守恒）框架将量子电子动力学与 Holstein 链的经典晶格运动耦合。
• 将晶格位移 Q_i 与动量 P_i 视为经典变量，并求解耦合方程： dQ_i/dt = P_i/m 和 dP_i/dt = g(n_i - 1/2) - K Q_i，其中 n_i 来自电子密度矩阵。
• 用随时间变化的单粒子哈密顿量 H_e[Q_i(t)] 通过时间依赖薛定谔方程演化电子子系统。
• 通过单粒子密度矩阵 ρ 表征电子和晶格态，并计算局部 CDW 有序参量 φ_i。
• 计算 φ_i 的等时相关函数 C(r,t)，并从 C(L,t)=1/2 C(0,t) 中提取相关长度 L(t)。
• 识别/触发拐点动力学并进行经验性规则扩散描述以解释观测到的标度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Holstein 链中对有限电子-声子耦合进行相互作用断耦后，会出现哪些动力学制度？
• RQ2 在孤立哈密顿体系中，域生长和拐点动力学如何进行，尺度律是什么？
• RQ3 为何在强耦合时共arsening 会被阻滞，CDW 域结构如何稳定？
• RQ4 是否可以用电子动力学的内部浴机制来解释异常的拐点扩散和 n ~ t^{-1/3} 衰减？

主要发现

• 识别出三种动力学制度：非平衡金属性（λ<λ_c1）、准共arsening（λ_c1<λ<λ_c2）和被阻滞的 CDW（λ>λ_c2）。
• 临界耦合近似为 λ_c1 ≈ 0.4 和 λ_c2 ≈ 1.0。
• 在准共arsening 区间，域尺寸随时间增长为 L(t) ~ t^{1/3}。
• 拐点密度在准共arsening 区间以 n(t) ~ t^{-1/3} 衰减，与 L(t) 的关系为 L(t) ~ n(t)^{-1}。
• 拐点执行无偏随机游走，具有弹性散射的并行段；弹性碰撞降低速度但不会因能量守恒动力学而立即湮灭拐点。
• 包含湮灭与弹性散射的有效反应扩散描述能解释观测到的尺度律。