Diagrama esquemático do modelo de carga. O efeito das interações elétron-elétron é integrado pela adição de estados de base de pares múltiplos de hólon-doublon (direita) a estados de base de um-hólon-doublon (esquerda). Aqui, os pontos pretos representam locais ocupados individualmente. Crédito:Instituto de Tecnologia de Nagoya
O professor assistente Ohmura Shu e o professor Takahashi Akira do Instituto de Tecnologia de Nagoya e outros desenvolveram um modelo de carga para descrever os estados fotoexcitados de isoladores Mott unidimensionais sob os Programas de Pesquisa Básica Estratégica do JST. Eles também conseguiram construir uma função de Wannier de muitos corpos como o estado de base localizado dos estados fotoexcitados e calcular o sistema grande, espectros de condutividade óptica que podem ser comparados com resultados experimentais.
Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente em como o estado eletrônico de um sistema eletrônico fortemente correlacionado muda em escalas de tempo ultrarrápidas por meio da aplicação de campo elétrico ou fotoirradiação. Por exemplo, experimentos demonstram que quando um isolador Mott é excitado com uma luz forte, hólons e doublons são criados e se metalizam rapidamente. Para entender esse mecanismo físico, é necessário realizar um cálculo teórico da função de onda do sistema. O estado eletrônico de um sistema eletrônico fortemente correlacionado pode ser descrito com um modelo de Hubbard estendido. Contudo, dada a capacidade dos computadores existentes, não foi possível calcular a função de onda para um sistema grande que pode ser comparado com resultados experimentais ou usá-la para obter o espectro de luz mesmo para sistemas unidimensionais com o mais simples dos estados eletrônicos.
Portanto, um modelo de carga foi desenvolvido sob o modelo de Hubbard estendido unidimensional que pode ser usado para lidar com a flutuação de carga com precisão, além das características de separação de carga de spin de isoladores Mott unidimensionais. Ao comparar os espectros de condutividade ótica precisamente calculados do modelo de Hubbard estendido e do modelo de carga, foi demonstrado que a flutuação de carga é essencial para a descrição dos estados fotoexcitados e que o modelo de carga é eficaz. Além disso, uma função de Wannier de muitos corpos que integrou os efeitos das interações elétron-elétron aplicando métodos de ciência da informação ao modelo de carga foi construída, resultando na aquisição bem-sucedida de espectros de condutividade óptica para sistemas que consistem em mais de 100 átomos ou moléculas que podem ser comparados diretamente com resultados experimentais.
Comparação de espectros de condutividade óptica entre o modelo de carga e o modelo de Hubbard estendido. Os espectros de condutividade óptica para um sistema que consiste em 14 átomos são mostrados. O espectro calculado a partir do modelo de carga (linha deslizante vermelha) coincide quantitativamente com o calculado a partir do modelo Hubbard estendido (preto quebrado), enquanto o calculado sem flutuação de carga (sólido azul) muda cerca de 2 eV (volt de elétron). Crédito:2009 The American Physical Society
Espectros de condutividade óptica calculados usando funções de Wannier de muitos corpos. (a) Comparação do modelo de carga e o método das funções de Wannier de muitos corpos. O método das funções de Wannier de muitos corpos reproduz bem o espectro de condutividade óptica calculado a partir do modelo de carga para um sistema que consiste em 40 átomos. (b) Dependência do tamanho do sistema dos espectros calculados usando as funções de Wannier de muitos corpos. A distribuição espectral torna-se ampla à medida que o tamanho do sistema aumenta até atingir cerca de 200. Crédito:2009 The American Physical Society
A tecnologia da ciência da informação usada nesta pesquisa deve ser aplicável à análise teórica de fenômenos fotoinduzidos de uma ampla variedade de sistemas eletrônicos fortemente correlacionados. Espera-se que esta descoberta do mecanismo da dinâmica eletrônica fotoinduzida leve ao desenvolvimento de dispositivos ópticos de ultra-alta velocidade usando sistemas eletrônicos fortemente correlacionados.
