Schema schematico del modello di carica. L'effetto delle interazioni elettrone-elettrone è integrato dall'aggiunta di stati base di più olon-doublon (a destra) a stati di base di un olon-doublon (a sinistra). Qui, i punti neri rappresentano i siti occupati singolarmente. Credito:Istituto di tecnologia di Nagoya
L'assistente professore Ohmura Shu e il professor Takahashi Akira del Nagoya Institute of Technology e altri hanno sviluppato un modello di carica per descrivere gli stati fotoeccitati degli isolanti Mott unidimensionali nell'ambito dei programmi di ricerca di base strategici del JST. Sono anche riusciti a costruire una funzione di Wannier a molti corpi come stato base localizzato degli stati fotoeccitati e a calcolare il sistema di grandi dimensioni, spettri di conducibilità ottica che possono essere confrontati con i risultati sperimentali.
C'è stato un crescente interesse negli ultimi anni su come lo stato elettronico di un sistema di elettroni fortemente correlato cambia su scale temporali ultraveloci attraverso l'applicazione del campo elettrico o la foto-irradiazione. Per esempio, esperimenti dimostrano che quando un isolante Mott è eccitato da una forte luce, oloni e dobloni vengono creati e metallizzati rapidamente. Per comprendere questo meccanismo fisico, è necessario condurre un calcolo teorico della funzione d'onda del sistema. Lo stato elettronico di un sistema elettronico fortemente correlato può essere descritto con un modello Hubbard esteso. Però, data la capacità dei computer esistenti, non è stato possibile calcolare la funzione d'onda per un grande sistema confrontabile con i risultati sperimentali o utilizzarla per ottenere lo spettro luminoso anche per sistemi unidimensionali con gli stati elettronici più semplici.
Perciò, è stato sviluppato un modello di carica sotto il modello Hubbard esteso unidimensionale che può essere utilizzato per gestire con precisione la fluttuazione della carica oltre alle caratteristiche di separazione spin-carica degli isolanti Mott unidimensionali. Confrontando gli spettri di conducibilità ottica calcolati con precisione del modello Hubbard esteso e del modello di carica, è stato dimostrato che la fluttuazione di carica è essenziale per la descrizione degli stati fotoeccitati e che il modello di carica è efficace. Inoltre, è stata costruita una funzione Wannier a molti corpi che ha integrato gli effetti delle interazioni elettrone-elettrone applicando metodi di scienza dell'informazione al modello di carica, con conseguente acquisizione di successo di spettri di conducibilità ottica per sistemi costituiti da più di 100 atomi o molecole che potrebbero essere direttamente confrontati con i risultati sperimentali.
Confronto degli spettri di conducibilità ottica tra il modello di carica e il modello esteso di Hubbard. Vengono mostrati gli spettri di conducibilità ottica per un sistema costituito da 14 atomi. Lo spettro calcolato dal modello di carica (linea rossa scorrevole) coincide quantitativamente con quello calcolato dal modello Hubbard esteso (nero spezzato), mentre quello calcolato senza fluttuazione di carica (solido blu) si sposta di circa 2 eV (elettronvolt). Credito:2009 The American Physical Society
Spettri di conducibilità ottica calcolati utilizzando le funzioni Wannier a molti corpi. (a) Confronto tra il modello di carica e il metodo delle funzioni di Wannier a molti corpi. Il metodo delle funzioni Wannier a molti corpi riproduce bene lo spettro di conducibilità ottica calcolato dal modello di carica per un sistema composto da 40 atomi. (b) Dipendenza dalla dimensione del sistema degli spettri calcolati utilizzando le funzioni di Wannier a molti corpi. La distribuzione spettrale diventa ampia con l'aumentare delle dimensioni del sistema fino a raggiungere circa 200 dimensioni. Credito:2009 The American Physical Society
La tecnologia informatica utilizzata in questa ricerca dovrebbe essere applicabile all'analisi teorica dei fenomeni fotoindotti di un'ampia varietà di sistemi elettronici fortemente correlati. Questa scoperta del meccanismo della dinamica degli elettroni fotoindotta dovrebbe portare allo sviluppo di dispositivi ottici ad altissima velocità che utilizzano sistemi di elettroni fortemente correlati.
