Schéma de principe du modèle de charge. L'effet des interactions électron-électron est intégré en ajoutant des états de base multi-holon-doublon-paire (à droite) aux états de base un-holon-doublon (à gauche). Ici, les points noirs représentent les sites occupés individuellement. Crédit :Institut de technologie de Nagoya
Le professeur adjoint Ohmura Shu et le professeur Takahashi Akira de l'Institut de technologie de Nagoya et d'autres ont développé un modèle de charge pour décrire les états photo-excités d'isolateurs de Mott unidimensionnels dans le cadre des programmes de recherche fondamentale stratégique JST. Ils ont également réussi à construire une fonction de Wannier à plusieurs corps comme état de base localisé des états photo-excités et à calculer le grand système, spectres de conductivité optique pouvant être comparés aux résultats expérimentaux.
Ces dernières années, il y a eu un intérêt croissant pour la façon dont l'état électronique d'un système d'électrons fortement corrélé change sur des échelles de temps ultrarapides par application de champ électrique ou photo-irradiation. Par exemple, des expériences démontrent que lorsqu'un isolant de Mott est excité avec une forte lumière, des holons et des doublons sont créés et se métallisent rapidement. Pour comprendre ce mécanisme physique, il est nécessaire d'effectuer un calcul théorique de la fonction d'onde du système. L'état électronique d'un système électronique fortement corrélé peut être décrit avec un modèle de Hubbard étendu. Cependant, compte tenu de la capacité des ordinateurs existants, il n'a pas été possible de calculer la fonction d'onde d'un grand système pouvant être comparée à des résultats expérimentaux ou de l'utiliser pour obtenir le spectre lumineux, même pour des systèmes à une dimension avec le plus simple des états électroniques.
Par conséquent, un modèle de charge a été développé sous le modèle Hubbard étendu unidimensionnel qui peut être utilisé pour gérer avec précision les fluctuations de charge en plus des caractéristiques de séparation spin-charge des isolants Mott unidimensionnels. En comparant les spectres de conductivité optique calculés avec précision du modèle Hubbard étendu et du modèle de charge, il a été démontré que la fluctuation de charge est essentielle à la description des états photo-excités et que le modèle de charge est efficace. De plus, une fonction de Wannier à plusieurs corps qui a intégré les effets des interactions électron-électron en appliquant des méthodes de science de l'information au modèle de charge a été construite, résultant en l'acquisition réussie de spectres de conductivité optique pour des systèmes composés de plus de 100 atomes ou molécules qui pourraient être directement comparés aux résultats expérimentaux.
Comparaison des spectres de conductivité optique entre le modèle de charge et le modèle Hubbard étendu. Les spectres de conductivité optique pour un système composé de 14 atomes sont présentés. Le spectre calculé à partir du modèle de charge (ligne glissante rouge) coïncide quantitativement avec celui calculé à partir du modèle Hubbard étendu (noir brisé), tandis que celle calculée sans fluctuation de charge (solide bleu) se décale d'environ 2 eV (électron-volt). Crédit : 2009 La Société américaine de physique
Spectres de conductivité optique calculés en utilisant des fonctions de Wannier à plusieurs corps. (a) Comparaison du modèle de charge et de la méthode des fonctions de Wannier à plusieurs corps. La méthode des fonctions de Wannier à plusieurs corps reproduit bien le spectre de conductivité optique calculé à partir du modèle de charge pour un système constitué de 40 atomes. (b) Dépendance de la taille du système des spectres calculés en utilisant les fonctions de Wannier à plusieurs corps. La distribution spectrale devient large à mesure que la taille du système augmente jusqu'à ce que la taille atteigne environ 200. Crédit :2009 The American Physical Society
La technologie des sciences de l'information utilisée dans cette recherche devrait être applicable à l'analyse théorique des phénomènes photo-induits d'une grande variété de systèmes électroniques fortement corrélés. Cette découverte du mécanisme de la dynamique électronique photo-induite devrait conduire au développement de dispositifs optiques ultra-rapides utilisant des systèmes électroniques fortement corrélés.
