超短パルスが誘起する金属状態および超伝導状態における光吸収：ハバードモデルを用いた研究

核心概念

超短パルスは、ハバードモデルの金属状態および超伝導状態において、それぞれ異なるメカニズムで過渡的な光吸収を活性化する。

要約

超短パルス誘起光吸収に関する研究論文の概要

本論文は、超短パルスが強相関電子系の過渡吸収スペクトルに与える影響を、時間依存密度行列繰り込み群(tDMRG)法を用いて数値的に調べた研究論文である。

本研究は、ハバードモデルの金属状態および超伝導状態において、超短パルス励起によって誘起される過渡吸収スペクトルの振る舞いを明らかにすることを目的とする。

強相関電子系のモデルとして、ハバードモデルを一次元および二次元格子上で扱う。
時間依存電場として、電流を誘起する超短ハーフサイクルパルスを導入する。
過渡吸収スペクトルを計算するために、tDMRG法を用いて時間依存光伝導度を評価する。

抽出されたキーインサイト

Optical absorptions activated by an ultrashort halfcycle pulse in metallic and superconducting states of the Hubbard model

by Kazuya Shinj... 場所 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00313.pdf

深掘り質問

超短パルスではなく、テラヘルツパルスのようなより長いパルスを用いた場合、過渡吸収スペクトルはどのように変化するだろうか？

超短パルスに比べてテラヘルツパルスのような長いパルスを用いた場合、過渡吸収スペクトルは以下のように変化すると考えられます。

励起モードの変化: 超短パルスは、その広帯域性により、高エネルギーの振幅モード（ヒッグスモード、電荷密度波振幅モード）や、スピン励起など、様々な励起モードを誘起することができます。一方、テラヘルツパルスは、より低エネルギーの励起モードを選択的に誘起する可能性があります。例えば、超伝導ギャップの2倍程度のエネルギーを持つテラヘルツパルスを用いると、ヒッグスモードを選択的に励起できる可能性があります。
コヒーレントな振動の持続時間: 超短パルス励起では、フェムト秒からピコ秒オーダーの非常に短い時間領域で、コヒーレントな振動が観測されることがあります。一方、テラヘルツパルス励起では、パルスの時間幅が長いため、コヒーレントな振動もより長い時間持続する可能性があります。
熱効果の影響: テラヘルツパルスは、超短パルスに比べて、より多くのエネルギーを系に注入するため、電子系や格子系の加熱を引き起こしやすくなります。そのため、熱効果による吸収スペクトルの変化が無視できなくなる可能性があります。
特に、本研究で示された振幅モード吸収やギャップ中吸収は、超短パルスによる非断熱的な励起効果に強く依存していると考えられます。テラヘルツパルスのような長いパルスを用いた場合、これらの吸収は、観測が困難になるか、全く異なる時間発展を示す可能性があります。

本研究ではクリーンな系を扱っているが、不純物や格子欠陥が存在する場合、振幅モード吸収やギャップ中吸収にどのような影響が現れるだろうか？

不純物や格子欠陥が存在する場合、振幅モード吸収やギャップ中吸収には以下のような影響が現れると考えられます。

吸収ピークの広がりと強度低下: 不純物や格子欠陥は、励起子の散乱を引き起こし、振幅モード吸収やギャップ中吸収のピークを広げ、強度を低下させると考えられます。これは、不純物や欠陥によって系の並進対称性が破れ、運動量保存則が緩和されるためです。
新しい吸収ピークの出現: 不純物や格子欠陥は、欠陥準位を形成し、新しい吸収ピークを出現させる可能性があります。これらの欠陥準位は、振幅モードやギャップ中励起と結合し、吸収スペクトルに複雑な構造を与える可能性があります。
空間的な閉じ込め効果: 不純物や格子欠陥は、電子を空間的に閉じ込める効果を持つ場合があります。この閉じ込め効果によって、振幅モードやギャップ中励起のエネルギーが変化し、吸収ピーク位置がシフトする可能性があります。
特に、超伝導状態におけるヒッグスモードは、クリーンな系では運動量ゼロの励起として現れますが、不純物散乱の影響を受けると、有限の運動量を持つモードとして観測されるようになると考えられます。

超短パルス誘起による光吸収の変化は、強相関電子系における光誘起相転移とどのように関連しているだろうか？

超短パルス誘起による光吸収の変化は、強相関電子系における光誘起相転移と密接に関連しています。

光誘起相転移の検出: 光吸収スペクトルの変化は、光誘起相転移の発生を検出する有効なプローブとなります。例えば、モット絶縁体において、光励起によってギャップ内吸収が増大する場合があります。これは、光誘起によって金属的な状態へと相転移したことを示唆しています。
励起状態のダイナミクス: 超短パルスを用いたポンプ・プローブ分光法は、光誘起相転移に伴う励起状態のダイナミクスを調べる強力なツールです。例えば、光誘起相転移によって生成された準粒子の寿命や、秩序パラメータの緩和過程などを調べることができます。
非平衡状態における相制御: 超短パルスを用いることで、熱平衡状態ではアクセスできないような非平衡状態を実現し、その光学応答を調べることも可能です。これは、光誘起相転移のメカニズム解明や、新しい光誘起相の探索に繋がる可能性があります。
本研究で示されたように、超短パルスによって、強相関電子系に特徴的な電荷秩序やスピン秩序を制御できる可能性があります。このような光誘起による相制御は、将来の超高速光デバイスへの応用が期待されています。